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Flugmechanik, Flugregelung und Aeroelastizität AeroStruct

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AeroStruct - Entwicklung einer multidisziplinären Simulationsumgebung für die Analyse und Optimierung von Flugzeugen

Logo des Verbundsprojekts AeroStruct
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"AeroStruct" ist ein Verbundsvorhaben des DLRs, der Industrie (Airbus, CASSIDIA, Rolls-Royce Deutschland) und der Hochschulen (TU Berlin, TU Braunschweig, Uni Trier, Uni München und HAW Hamburg). Ein wesentliches Ziel ist des Projekts ist die Entwicklung einer multidisziplinären Simulationsumgebung für die Analyse und Optimierung von Flugzeugen aus Basis höherwertiger Verfahren.

Einleitung

3D- Darstellung einer moderne Flugzeugkonfiguration mit vorwärts gepfeilten Flügeln
Lupe

Die Steuerung moderner Verkehrsflugzeuge wird in hohem Maße durch das Flugsteuerungssystem und die darin enthaltenen Flugregelungsfunktionen beeinflusst. Bei Airbus-Flugzeugen kommandiert der Pilot über den Side-Stick Parameter der Flugzeugbewegung (Lastvielfachen und Rollratenvorgabe). Die erforderlichen Ruderausschläge werden vom Flugregler generiert und automatisch an den Flugzustand angepasst, um ein für den Piloten einheitliches Flugverhalten über die gesamte Flugenveloppe zu ermöglichen. Heutige Flugregler beinhalten eine große Anzahl von Funktionen die zum einen die Flugeigenschaften aktiv verbessern (z.B. Dämpferfunktionen) und zum anderen einen sicheren Flugbetrieb gewährleisten (z.B. Flugbereichsgrenzregelung). Zusätzliche lastabmindernde System ermöglichen das Ausregeln von atmosphärischen Störungen, oder sie Senken die Strukturbelastung bei hochdynamischen Manövern durch zusätzliche Stellausschläge (z.B. Manoeuvre Load Alleviation bei A340). Die Ruderausschläge moderner Verkehrsflugzeuge werden somit durch eine Vielzahl verschiedener Reglerfunktionen, die oft nicht-lineares Verhalten aufweisen, beeinflusst.   Im Rahmen des Vorhabens „AeroStruct“ entwickelt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt eine multidisziplinären Analyse und Optimierungsplattform, basierend auf hochwertigen Simulationsverfahren, für den integrierten Vor- und Detailentwurf von zukünftigen Flugzeuggenerationen. Dies beinhaltet unter anderem die Untersuchung aeroelastischer Phänomene sowie die Berechnung von Strukturlasten mittels CFD-Methoden. Als ein Anwendungsbeispiel dient eine moderne Konfiguration mit vorwärts gepfeiltem Flügel (ForSWing). Im aktuellen Stadium beinhalten die verwendeten Simulationsmodelle ausschließlich den passiven Flügel. Der Einfluss von Flugreglern auf die Ruderausschläge, und somit auf die Lastverteilung über den Flügel bei Manövern oder Böenstörungen, wird nicht berücksichtigt. Er ist aber entscheidend um realistische Simulationsergebnisse zu erzeugen.

Ziele und Vorgehen

In diesem Vorhaben entwickelt das Fachgebiet für Flugmechanik, Flugregelung und Aeroelastizität generische Flugreglermodule, um die im Verbund entstehenden multidisziplinären Simulationswerkzeuge für die Lastenanalyse um den Bereich Flugregelung zu erweitern. Die Reglermodule orientieren sich an Regelungskonzepten moderner Verkehrsflugzeuge wobei nur solche Reglerfunktionen berücksichtigt werden, die für dynamische Simulationen aeroelastischer und strukturdynamischer Problemstellungen relevant sind (z.B. 3DoF Lageregler, Dämpferfunktionen). Es ist geplant einfache Reglerfunktionen zur Lastenreduktion zu integrieren, um einen Vergleich zur „Basisregelung“ innerhalb höherwertiger CFD-Simulationsmodelle zu ermöglichen. Dabei können z.B. auch Einflüsse von Totzeiten im Regelkreis unter Berücksichtigung der instationären Aerodynamik untersucht werden. Ein weiteres Ziel des Vorhabens ist es lastenrelevante Szenarien und Manöver in den Analyseprozess mit CFD-Simulationen der Partner einzubringen. Dies kann z.B. durch Daten aus Simulatorversuchen geschehen, welche realistische Verläufe von Ruderausschlägen bereitstellen.

Arbeitsprogramm

AP1
Spezifikation und Modellanalyse
Das Fachgebiet liefert Beiträge zur Definition des Referenzfalls aus flugmechanischer und flugregelungstechnischer Sicht. Dazu wird eine erste qualitative Analyse der flugdynamischen Eigenschaften und der „Handling-Qualities“ des Referenzflugzeugs ohne Flugregler durchgeführt.
Anschließend spezifiziert das Fachgebiet in Zusammenarbeit mit dem DLR die angestrebten Entwurfsziele aus flugregelungstechnischer Sicht.
AP2
Reglerenwurf
Unter Berücksichtigung der Anforderungen werden die allgemeine Reglerstruktur sowie die einzelnen Reglerfunktionen für Längs und Seitenbewegung entwickelt. Dies beinhaltet auch die Modellierung von Sensorikkomponenten zur Rückführung von Regelgrößen (z.B. Drehraten p, q, r oder Lastvielfachen). Für die Reglerparameter wird ein Auslegungsverfahren aufgesetzt, welches in den multidisziplinären Entwurfsprozess eingebunden werden kann. Es ermöglicht eine iterative Optimierung der Reglerparameter um auf Änderungen im Entwurf zu reagieren.
AP3
Multidisziplinärer Optimierungsprozess
Die Einbindung der Reglermodule in die hochwertigen CFD-Simulationen geschieht durch den DLR. Das Fachgebiet leistet unterstützende Arbeiten bei der Integration der Flugreglermodule und des Parameterauslegungsprozess in den multidisziplinären Optimierungsprozess.
AP4
Verifikation der Flugreglermodule
Die Funktionalität der entwickelten Reglermodule wird basierend auf den vom DLR bereitgestellten Modellen des Referenzflugzeugs verifiziert. Dazu werden Testmanöver spezifiziert welche in in gleicher Weise in den hochwertigen CFD-Simulationen wiederholt werden. Das Fachgebiet nutzt dabei vom DLR bereitgestellte Simulationsergebnisse, um die Funktionalität der Reglermodule zu verifizieren.

Projektpartner

Projektpartner:

  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Aeroelastik

Verbundpartner:

  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
  • Airbus Deutschland
  • CASSIDIAN
  • Rolls-Royce Deutschland
  • TU Braunschweig
  • TU München
  • Uni Trier
  • HAW Hamburg
  • TU Berlin

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