TU Berlin

Flugmechanik, Flugregelung und Aeroelastizität Flugeigenschaften von Drei-Flächen-Flugzeugen

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Flugeigenschaften von Drei-Flächen-Flugzeugen

Gefördert von der DFG im Zeitraum von
09.1997 - 10.2000 

Betreuung:  Dipl.-Ing. Markus Dahms

Übersicht

Lupe

Durch den stetig wachsenden Weltluftverkehr geraten immer mehr internationale Flughäfen an ihre Kapazitätsgrenzen. Es wird daher mit einem zunehmenden Bedarf an sehr großen Verkehrsflugzeugen in einer Klasse oberhalb der Boeing 747-400 gerechnet. Diese neue Klasse von Verkehrsflugzeugen stößt mit Abmessungen von ca. 80 m x 80 m und einem Abfluggewicht von ca. 550 t in neue Größenordnungen vor. Durch die überproportional mit der Größe zunehmende Trägheit und die daraus resultierende Abnahme der Wirksamkeit konventioneller Steuerflächen solcher Flugzeuge ist u.a. mit im Vergleich zu bisherigen Verkehrsflugzeugen schlechteren Flugeigenschaften zu rechnen. Es erscheint daher sinnvoll, auch unkonventionelle Konfigurationen wie das Drei-Flächen-Flugzeug (Three-Surface-Aircraft TSA) zu untersuchen. Die bisher durchgeführten Studien zu TSA-Konfigurationen beschränken sich weitgehend auf Flugleistungsbetrachtungen, die Flugeigenschaften wurden bislang kaum untersucht. In diesem Vorhaben sollen daher grundlegende Untersuchungen zu den Flugeigenschaften von Drei-Flächen-Flugzeugen durchgeführt werden, die als Ausgangsbasis für spätere detailliertere Projektstudien dienen sollen.

Prinzip

Das Grundprinzip des TSA besteht darin, daß der für die Herstellung eines statischen Längsmomentengleichgewichts erforderliche Abtrieb am Höhenleitwerk ganz oder zu großen Teilen durch einen Auftrieb am Canard ersetzt werden kann. Dadurch steigert sich der verfügbare getrimmte Gesamtauftrieb und es besteht die Möglichkeit durch geeignete Verteilung der Lasten den induzierten Widerstand zu minimieren. Beim konventionellen Flugzeug stehen den zwei Gleichgewichtsbedingungen (Auftrieb gleich Gewicht und Nickmoment gleich Null) zwei Steuermöglichkeiten (CA-Flügel und CA-Höhenleitwerk) gegenüber. Somit gibt es für jede Schwerpunktlage nur eine mögliche Kombination von CA-Flügel und CA-Höhenleitwerk, welche die Gleichgewichtsbedingung erfüllt. Beim TSA steht eine zusätzliche Steuermöglichkeit - der Canardauftrieb - zur Verfügung, so daß nunmehr die Gleichgewichtsbedingung für jede Schwerpunktlage durch eine Vielzahl von Kombinationen aus CA-Flügel, CA-Höhenleitwerk und CA-Canard erfüllt werden kann. Aus flugmechanischer Sicht kann durch die Kopplung von Canard- und Höhenruderausschlag eine effizientere Steuerung der Längsbewegung erreicht und u.a. das quasistationäre Lastvielfache vergrößert werden. Die Anbringung eines Canards führt aber auch zu eine Verringerung der Stabilität (bei gleicher SP-Lage).

Vorteile

  • Verbesserung der Flugleistungen,
  • Reduzierung (Minimierung) des Trimmwiderstandes für 'design' und 'off design' Konditionen,
  • Verschiebung der Gleitzahlkurven zu höheren Auftriebsbeiwerten (optimale Gleitzahl bei höherem CA-Wert), die optimale Gleitzahl kann unabhängig von der Schwerpunktlage eingestellt werden (infolge des zusätzlichen Freiheitsgrades),
  • Erhöhung des nutzbaren Gesamtauftriebes ohne Vergrößerung der Spannweite (bzw. Verringerung der Flügelfläche bei konstanten MTOW),
  • Verringerung der Höhenleitwerksfläche (Strukturgewichtseinsparungen),
  • Reduzierung des Reibungs- und Kompressibilitätswiderstandes,
  • Reduzierung der notwendigen Triebwerks- und Ruderservoleistung,
  • Verbesserung der Manövrierfähigkeit und Steuerbarkeit insbesondere bei:

    • Korrektur der Flugbahn,
    • Startrotation und Startsteigen,
    • Landung und Durchstarten,

  • niedrigere Anfluggeschwindigkeiten.

Nachteile

  • Starke Interferenzwirkung zwischen den drei Flächen, wobei das Hauptproblem im Einfluß des Canards auf die Strömungsverhältnisse am Flügel liegt; schwierige Voraussage der zu erwartenden Interferenzen,
  • Destabilisierung der Längsbewegung und Seitenbewegung,
  • Nachweis der Fliegbarkeit im Direct Law,
  • starke Einschränkung des nutzbaren Schwerpunktbereiches bei Aufrechterhaltung einer ausreichenden natürlichen Längsstabilität,
  • zusätzliche (komplexere) Reglungs- und Steuerungsmaßnahmen notwendig (insbesondere für den instabilem Bereich, Gewährleistung einer geringen Ausfallwahrscheinlichkeit !),
  • Flügel muß im Innenbereich modifiziert werden (variable Wölbung o.ä.) um den Abwind des Canard zu kompensieren.

Inwiefern die aufgeführten Vor- und Nachteile im einzelnen zutreffen und wie groß der jeweilige Einfluß letztendlich ist, kann bei dem gegebenen Forschungstand noch nicht eindeutig festgelegt werden. Es ist jedoch unumstritten, daß unter Berücksichtigung der in der oben genannten Probleme bei weiterer Flugzeugvergrößerung das TSA eine mögliche Alternative bietet. Voraussetzung bleibt jedoch der Nachweis der Realisierbarkeit eines solchen Konzeptes.

Forschungs- und Arbeitsschwerpunkte

  • Erstellung eines aerodynamischen Referenzmodells,
  • Erstellung eines Echtzeit-Aerodynamikmodells,
  • Echtzeitfähige Modellierung und Bewertung der Interferenzen zwischen den drei Flächen (Abwindinteraktion, Laufzeiteffekte),
  • Bestimmung des Einflusses bestimmter konstruktiver Canardparameter auf die Stabilitätsderivativa (Sensitivitäten),
  • Numerische Flugeigenschaftsanalyse,
  • Flugeigenschaftsuntersuchungen bei freiem (free floating) Canard,
  • Flugeigenschaftsuntersuchungen bei verschiedenen Ausfällen am Canard,
  • Flugeigenschaftsuntersuchungen unter Einschluß von Piloten.
Panel-Oberflächennetz einer TSA-Konfiguration zur Berechnung der Aerodynamik
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Ziele

Das vorrangige Ziel der Forschungen besteht darin, grundlegende Erkenntnisse über die Flugeigenschaften von großen "Drei-Flächen-Flugzeugen" zu erarbeiten. Diese Grundlagenuntersuchungen sollen einen Beitrag für die praktische Realisierbarkeit solcher Konzepte in der zivilen Luftfahrt liefern. Ein sehr wichtiger Punkt bei der Zulassung eines Flugzeuges ist der Nachweis der Fliegbarkeit bei Ausfall von Steuerungselementen. Da der Canard, ohne entsprechende Reglerunterstützung, u.a. zu einer erheblichen Verringerung der statischen Längsstabilität führen kann, ist dieser Fliegbarkeitsnachweis bei Ausfall der Reglerunterstützung bereits in der Entwurfsphase zu berücksichtigen. Da sich hieraus bestimmte Einschränkungen für den Entwurf eines TSA ergeben können, sind Fliegbarkeitsuntersuchungen bei Ausfällen ein wichtiger Punkt der Untersuchungen. Daraus sollen konkrete Forderungen an ein TSA-Konzept abgeleitet werden, welche die Erfüllung der Flugeigenschaftsforderungen in solchen Situationen gewährleisten.

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