MODULAR-TUB ist das Partnervorhaben der TU Berlin im Verbundprojekt MODULAR (Smarte Aktuator-Konzepte für elektromechanische und elektrohydraulische Antriebe) zur Entwicklung innovativer Konzepte für smarte elektromechanische und elektrohydraulische Aktuatoren. Es wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des nationalen Luftfahrtforschungsprogramms (LUFO VI-1) gefördert. Die Laufzeit beträgt 39 Monate (01.01.2020 – 31.03.2023). Verbundführer ist Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH.

Das Vorhaben MODULAR-TUB der Technischen Universität Berlin trägt zur modellbasierten Software-Entwicklung für digitale intelligente Flugsteuerungssysteme bei und entwickelt neue Ansätze zu dissimilaren Control-Monitor-Strukturen, wie sie typischerweise für sich selbst passivierende, sicherheitskritische System verwendet werden.

In der Flugsteuerung von Verkehrsflugzeugen werden heute überwiegend hydraulische Stellantriebe eingesetzt. Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik ermöglichen zukünftig den Einsatz von elektrischen Alternativen. In der sekundären Flugsteuerung aktueller Flugzeugmuster werden bereits elektromechanische Aktuatoren (EMA) eingesetzt. Der Einsatz in der primären Flugsteuerung stellt besondere Anforderung an Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Diese sicherheitskritischen Systeme unterliegen sehr strengen Entwicklungs-, Nachweis- und Qualitätssicherungsprozessen.

Ziel des Verbundvorhabens MODULAR ist es, innovative Konzepte für smarte elektromechanische und elektrohydraulische Aktuatoren zu entwickeln. Dazu gehören die Steigerung der Effizienz von Methoden zum Systementwurf, neue Ansätze zur Systemüberwachung sowie konstruktive Lösungen und Regelprinzipien für elektromechanische und elektrohydraulische Aktuatorik.

Das Partnervorhaben der TU Berlin trägt mit der Entwicklung von neuartigen Überwachungsmechanismen für Flugsteuerungssysteme der nächsten Generation sowie Arbeiten zum effizienten, modellbasierten Entwicklungsprozess von Flugregelungssoftware zum Ziel 4 (Gesamtsystemfähigkeit) des Luftfahrtforschungsprogramms bei, denn für diese Arbeiten ist das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Einzelsystemen (z.B. Aktuatorik, Sensorik, Bordrechner) und dem Gesamtsystem Luftfahrzeug erforderlich. Die Erkennungsmechanismen zu Common-Mode-Fehlern tragen auch zur Sicherheit von Flugzeugen und so zum Ziel 2 (Sichere und passagierfreundliche Luftfahrt) bei.

Die wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele sind:

1. Aus natürlich-sprachlichen Anforderungen werden in formalisierter Weise ausführbare Spezifikationsmodelle abgeleitet. Diese erlauben, die Korrektheit und Vollständigkeit der Anforderungen mittels Simulation zu überprüfen und dienen gleichzeitig dazu, Tests und erwartete Testergebnisse zu definieren. So können Anforderungen früher als bisher geprüft werden (front loading) und Modelle, die im Entwicklungsprozess entstehen, werden mehrfach genutzt, einerseits als funktionale Modelle beim Entwurf zur virtuellen Integration und andererseits als Entwurfsmodelle zum Generieren von Quellcode.

2. Noch hat kein Verkehrsflugzeug eine Flugsteuerung mit dissimilarer Überwachungsfunktion, die Common-Mode-Fehler erkennt. Deshalb sollen neuartige Ansätze auf Basis von Beobachter-Methoden entwickelt werden, die aus einer unabhängigen Spezifikation entstehen. Dadurch wird die Dissimilarität bei sicherheitskritischen Funktionen im Sinne neuer EASA-Leitlinien erhöht.

Das Verbundprojekt MODULAR gliedert sich in vier Hauptarbeitspakete (HAP):

 MODULAR-TUB gehört zum Hauptarbeitspaket 2 (HAP2).

• Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH
• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
• Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH)
• Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
• Technische Universität Chemnitz (TUC)
• Technische Universität Hamburg (TUHH)
• Fachgebiet für Flugmechanik, Flugregelung und Aeroelastizität (FMRA) der Technischen Universität Berlin

Die Aufgaben der TU Berlin werden am Fachgebiet für Flugmechanik, Flugregelung und Aeroelastizität bearbeitet. Sie umfassen folgende Themengebiete, die 3 Arbeitspaketen (AP) zugeordnet sind:

1.      In AP 2.1 werden modellbasierte System- und Software-(SW)-Entwicklungsmethoden (Model-Based Design, MBD) auf ein primäres Flugsteuerungssystem angewendet, um so einen durchgängigen, modellgestützten Entwicklungsansatz zu demonstrieren und Potenziale zur Optimierung des Entwurfsprozesses hinsichtlich Qualität und Effizienz herauszuarbeiten. Funktionen, die in Software auf den Flugsteuerungsrechnern sowie in den Aktuator-Elektroniken implementiert werden, werden mittels modellbasierten S/W-Entwicklungsmethoden (MBD-Methoden) und entsprechenden Werkzeugen erzeugt. Außerdem werden beobachter-basierte dissimilare Überwachungsfunktionen für die Primärflugsteuerung entwickelt.

2.      In AP 2.2 entwickelt das DLR neuartige Kraftregelungen - statt Positionsregelungen - zur Böenlastabminderung und zur Vereinfachung des Flugsteuerungssystems sowie eine lebensdaueroptimierte Regelung für rotatorische EMAs), bei der das Ziel die Entwicklung und Validierung einer Auslegungsmethode für Kurzhubbewegungen ist, wie sie typisch für Aktuatoren der Primärflugsteuerung auf operationellen Flugprofilen sind. Die dazugehörenden Regelungsalgorithmen realisiert das DLR mit den von der TUB formulierten Anforderungen an die Algorithmus-Entwicklung und den dazugehörenden Standards. Diese werden als Anwendungsbeispiele für den modellbasierten SW-Entwicklungsprozess genutzt. TUB unterstützt das DLR und portiert die Algorithmen nach SCADE aus AP 2.1 heraus, so dass sie Liebherr abschließend zur Validierung in AP 2.4 auf Flugsteuerungsrechnern implementieren kann.

3.      In AP 2.4 unterstützt das FMRA die Projektpartner dabei, die erzielten Ergebnisse über umfangreiche Testkampagnen auf Komponenten-, Geräte- und System-Ebene zu validieren.

• Prof. Dr.-Ing. Robert Luckner
• Alexander Arnold, M.Sc.

Laufzeit: 01/2020 – 03/2023            

LuFo VI-1