Aeroelastische Auslegung der Nurflügelkonfiguration AK-X

Kurzfassung

Bei der Akaflieg Karlsruhe, ein studentischer Verein am Karlsruhe Institut für Technologie (KIT), wird die AK-X, ein Nurflügelsegelflugzeug, entwickelt. Durch den Wegfall des Leitwerkswiderstandes und der langen Rumpfröhre soll ein günstigerer Gleitwinkel erreicht werden. Da ein Segelflugzeug keinen eigenen Antrieb besitzt, kann es lediglich in den atmosphärischen Aufwinden an Höhe gewinnen und im Gleitflug weite Strecken zurücklegen. Je geringer dabei der Luftwiderstand ist, desto längere Strecken können mit der gleichen Ausgangshöhe im Gleitflug erreicht werden. Damit auch ohne Leitwerk ein stabiler Flug möglich ist, bekommt die AK-X einen 25° zurückgepfeilten Flügel mit großen Winglets, die das Seitenleitwerk ersetzen. Von Nurflügelkonfigurationen in der Vergangenheit ist folgendes aeroelatisches Problem bekannt: Der ersten Flügelbiegeschwingung ist eine Drehbewegung um die Querachse überlagert. Dadurch tritt im Flug ab einer kritischen Flattergeschwindigkeit eine instabile Kopplung der ersten Flügelbiegeschwingung mit der flugmechanischen Nickschwingung auf. Der daraus resultierende Flatterfall hat einen starken Dämpfungseinbruch und würde unweigerlich zum Bruch der Tragflügelprimärstruktur führen. Aus diesem Grund wurde der Tragflügel der AK-X nach aeroelastischen Gesichtspunkten in Kohlefaserverbundbauweise ausgelegt. Dazu wurde ein flugfähiges Erprobungsmodell im Maßstab 1:2 hergestellt, mit dem im Standschwingungsversuch die Eigenschwingungsformen der Struktur identifiziert wurden. Eine vorhandene Finite-Elemente Modellierung konnte mit denen im Experiment ermittelten modalen Parametern angepasst werden. Zur Strukturauslegung des manntragenden Nurflügelsegelflugzeuges musste das FE-Modell als nächstes in den Originalmaßstab hochskaliert werden. Zunächst wurde die Auswirkung verschiedener globaler Entwurfsparameter, z.B. der Flügelpfeilung und der Spannweite auf die aeroelatische Stabilität untersucht, um den optimalen Entwurf auszuwählen. Anschließend konnte die CFK-Struktur durch Auswahl modernster Fasermaterialien hinsichtlich Festigkeits- und Steifigkeitsrestriktionen überarbeitet werden, um die kritische Flattergeschwindigkeit für unterschiedliche Beladungszustände zu maximieren. Dabei zeigte sich, dass die AK-X in der gewünschten aerodynamisch optimalen Form mit modernen Werkstoffen realisiert werden kann. Dem Bau des Prototyps in der Werkstatt der Akaflieg Karlsruhe steht somit nichts mehr im Wege.