GUSTAFO-TUB - Entwicklung eines numerischen Simulationsmodells zur flugmechanischen Untersuchung neuartiger Flugzeugkonfiguration mit klappbarem Außenflügelsegment

Abstract

Im Luftfahrtbereich werden von der EU ambitionierte Emissionsziele verfolgt. So sollen beispielsweise ab 2050 keine Emissionen mehr anfallen, die zum Klimawandel beitragen und damit die Luftfahrt bis 2050 voll klimaneutral werden. Die Ökoeffizienz von Flugzeugen ergibt sich hauptsächlich aus dem Strukturgewicht und aus der aerodynamischen Güte des Flugzeugs. Die Forderung nach einer verbesserten aerodynamischen Güte führt zu elastischeren Flugzeugkonfiguration mit hochgestreckten Flügeln und damit größerer Spannweite. Die Spannweiten sind allerdings durch die Größe der Flughafengates begrenzt. Um die Spannweite trotzdem weiter zu erhöhen, kann eine Klappflügeltechnologie verwendet werden, durch die die Flügelenden in Flug ausgeklappt die aerodynamische Güte erhöhen und am Boden eingeklappt die Spannweite verringern. Bei einer elastischen Kopplung des Außenflügelsegments im Flug kann die Strukturbelastung bei Turbulenzen reduziert werden, was weitere Gewichtseinsparungen ermöglicht. Außerdem kann so die Querrudereffektivität erhöht werden, wodurch sich eine zusätzliche Reduktion des Treibstoffbedarfs und der Emission ergibt. In dem von der Rheinisch-Westfälisch Technischen Hochschule (RWTH) Aachen geführten Verbundprojekt GUSTAFO wurde eine Flugzeugkonfiguration mit elastisch faltbarem Außenflügelsegment ausgelegt und aerodynamisch, aeroelastisch und flugmechanisch untersucht. Dabei wurde auch der Einfluss relevanter Entwurfsparameter auf die aerodynamischen, aeroelastischen und flugmechanischen Eigenschaften der Konfiguration untersucht und vereinfachte Modelle in die Flugzeugvorentwurfsumgebung der RWTH integriert. Projektpartner waren neben dem Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) der RWTH Aachen, das Fachgebiet für Flugmechanik, Flugregelung und Aeroelastizität (FMRA) der Technischen Universität Berlin (TUB), sowie der Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungsmechanik (AER) der Technischen Universität München (TUM). Von der TU-Berlin wurden in dem Projekt folgende Leistungen erbracht:

Aufbau einer systemdynamischen Gesamtsimulation unter Berücksichtigung der Flugdynamik, des aeroelastischen Verhaltens und der Mehrkörperdynamik des klappbaren Außenflügelsegments in MATLAB/Simulink, Entwicklung automatisierter Analyse- und Auswertungswerkzeuge für die Analyse des Flugzeug-, Steuer- und Störverhaltens, Auslegung des Flügelscharniers und Optimierung der dynamischen Eigenschaften des Gesamtsystems bei Gewährleistung der flugmechanisch-aeroelastischen Stabilität, Untersuchung des endgültigen Flügelentwurfs anhand zuvor definierter Testfälle und Bewertung der Klappflügeltechnologie, Ableitung von Gesetzmäßigkeiten, die den Einfluss relevanter Entwurfsparameter auf das dynamische Verhalten des Gesamtsystems beschreiben.