Weitaus leistungsfähigere Verkehrsflugzeugkonzepte dank beschleunigter, äußerst präziser Kraftmodellierung
Jeder, dessen Ferienflieger schon einmal durch Turbulenzen geflogen ist, wird wissen, dass Flugzeuge nicht immer in einem freundlichen, ungefährlichen Medium unterwegs sind. Die Luft ist voller Wirbelwinde, Temperaturgradienten und Wettermuster, die dazu führen können, dass sich die das Flugzeug tragende Luft heftig bewegt und dabei starke Kräfte oder Belastungen auf die Bauteile des Flugzeugs ausübt. Gleichermaßen üben Manöver, die das Flugzeug auszuführen hat, etwa Neigungen zur Kursänderung, Steigen oder Landen, Belastungen auf seine Bauteile aus. Zur Konzipierung eines sicheren Flugzeugs müssen die Flugzeughersteller jedoch wissen, wie hart diese Belastungen im schlimmsten Fall sind, damit sie herausfinden können, wie robust die kritischen Teile ihres Flugzeugs sein müssen, um mit den maximalen Beanspruchungen beim Fliegen fertig zu werden. Bislang konnten die Flugzeugdesigner diese Belastungen jedoch nicht genau prognostizieren, da ihre Softwaremodellierungswerkzeuge technisch noch nicht ausreichend ausgereift waren. Weg mit den Fehlern! Das soll sich nun dank des EU-finanzierten ALPES-Projekts ändern, bei dem Projektkoordinator Jonathan Cooper von der University of Bristol, Vereinigtes Königreich, mit Systemmodellierern des Siemens Aerospace Center of Competence in Leuven, Belgien, zusammengearbeitet hat. Das Ziel? Man wird schnelle Softwaremodellierungsverfahren entwickeln, die diese Belastungen am Flugzeug mit großer Genauigkeit berechnen. In diesem Zusammenhang hat das ALPES-Team die derzeitige Industrienorm zur Modellierung der Belastung durch Windstöße verbessert. Dabei ging es um die 40 Jahre alte Doublet-Lattice-Methode (DLM), die fehleranfällig ist und anhand umfassender Berechnungen zur numerischen Strömungsmechanik(Computational Fluid Dynamics, CFD) oder zeitraubender Windkanaltests korrigiert werden muss. „Die von uns im Rahmen von ALPES entwickelten neuen Verfahren korrigieren die DLM-Resultate auf Grundlage von nur wenigen Durchläufen in einem CFD-System und ermöglichen so die Erstellung von Böenlastprognosen, die sowohl schnell als auch genau sind“, erläutert Cooper. Er schätzt ein, dass sie nun die Belastungseffekte von aerodynamischen und strukturellen Faktoren um 95 % schneller als mit der vormals eingesetzten Methode simulieren können. Diese Methoden können durch weitere Ersatzmodellierungsverfahren verbessert werden. Für die Flugzeugbauer wird es ein Segen sein, wenn ihnen eine Software diese schwierigen Berechnungen abnimmt: „Es müssen hunderttausende Berechnungen durchgeführt werden, um alle möglichen Belastungsfälle zu berücksichtigen, denen ein Flugzeug während seiner Lebensdauer begegnen könnte“, sagt Cooper. Flugzeugoptimierung auf die leichtere Art Sind die Belastungen erst bestimmt, können die Ingenieure die Beanspruchungen an der Gesamtkonstruktion berechnen und die Größe der verschiedenen Strukturelemente etwa der Tragflächenholme und -rippen sowie die Flugzeugrumpf- und Steuerflächenhautdicken optimieren, um diese zu meistern. Wichtig sei, dass die von ALPES entwickelten Softwaremethoden mit hoher Geschwindigkeit funktionieren, betont Cooper, da der gesamte Prozess während jeder Größenbestimmungsberechnung mehrmals wiederholt werden müsse. Das ALPES-Team hat die neuen Verfahren bereits eingesetzt, um einige interessante, mit dem Thema Last in Verbindung stehende Resultate zu einem sich neu abzeichnenden Luftfahrtkonzept, den klappbaren Flügelspitzen, aufzuzeigen. Ein Flugzeug kann mehr Auftriebskraft erlangen, den Luftwiderstand reduzieren und die Treibstoffeffizienz erhöhen, wenn es eine breitere Tragflächenspannweite hat, wenngleich höhere Lasten erzeugt werden. Längere Tragflächen passen jedoch nicht an genormte Flugsteige, und so wurden zum Beispiel von Boeing im Zusammenhang mit dem Verkehrsflugzeugkonzept 777X klappbare Flügelspitzen vorgeschlagen. Am Gate bleiben die klappbaren Tragflächenspitzen vertikal, so wie es bei Luftfahrzeugen für Flugzeugträger der Fall ist, aber vor dem Start drehen sie sich nach unten und werden eben verriegelt, um die Tragflächenspannweite zu vergrößern. „Unsere ALPES-Forschung hat demonstriert, dass es durch eine gewisse Flexibilität im Gelenk während des Flugs möglich ist, auf diese Weise eine erhebliche Verlängerung der Flügelspitze mit begrenzter oder sogar minimaler Auswirkung auf das Tragflächengewicht zu erreichen“, sagt Cooper. Zukünftige Anwendungen Die Resultate werden in Luftfahrtkreisen tatsächlich etwas bewirken, prognostiziert Cooper. Er betont: „Die untersuchten Technologien werden die Entwicklung umweltfreundlicher Flugzeugkonstruktionen voranbringen sowie außerdem schnellere Entwurfs- und Zertifizierungsprozesse für diese Flugzeuge ermöglichen.“ Zudem werden die Arbeiten im Zusammenhang mit ALPES im Form von AEROGUST fortgesetzt, einem EU-finanzierten Projekt, das sich stark auf weitere Verbesserungen bei der Modellierung aeroelastischer Böenlasten und von Scherwinden sowohl für Flugzeuge als auch für Windkraftanlagen konzentriert.
Schlüsselbegriffe
ALPES, Luftfahrzeug, Flugzeuge, Passagierflugzeug, Verkehrsflugzeug, Luftfahrt, Aviatik, Flugwesen, Belastungsprognose, Schadenstoleranz, Strukturen, Grenzlasten, Simulation, Sicherheit
