Aktive und passive Lastreduktion zur Auslegung gewichtsoptimierter Flügelstrukturen (In-Fly-Tec / APLAUS): Schlussbericht

Abstract

Dieser Bericht beschreibt die Arbeiten, die vom DLR im Rahmen des Eigenantrags APLAUS (,,Aktive und passive Lastreduktion zur Auslegung gewichtsoptimierter Flügelstrukturen") im Lufo-V-3-Verbundvorhaben In-Fly-Tec (Verbundführer Airbus, Laufzeit 1.4.2019-30.9.2022) durchgeführt wurden. Die Transportleistung des Flugzeugs kann durch ein geringeres Strukturgewicht und einen reduzierten Widerstand erheblich gesteigert werden. Zur Reduktion des Strukturgewichts tragen moderne Materialien (z. B. CFK) bei, mit denen sich passive Maßnahmen zur Lastreduktion durch neue Bauweisen, Strukturoptimierung und Aeroelastic Tailoring umsetzen lassen. Darüber hinaus sind lastmindernde Maßnahmen durch moderne Regelungsverfahren ein wichtiger Bestandteil der integrierten Auslegung eines neuen Flügels. Für die Reduktion des Strömungswiderstands ist die Laminartechnologie, insbesondere die HybridIaminarisierung, eine der SchIüsseltechno!ogien der Flugphysik, die für ein Langstreckenflugzeug eine Reduktion des Treibstoffverbrauchs in der Gesamtbilanz um bis zu 10% ermöglicht und somit signifikant zu dem Ziel einer leistungsfähigen und klimaschonenden Luföahrt beiträgt. Im Projekt In-Fly-Tec wurden vom DLR in Zusammenarbeit mit den Verbundpartnern Airbus und Universität Magdeburg Technologien zur aktiven und passiven Lastreduktion sowie zur Widerstandsreduktion untersucht. Das zentrale Ziel des Projekts war die Ermittlung des Potenzials eines gemeinsamen Einsatzes dieser Technologien für die Optimierung der Gesamtleistung von Transportflugzeugen. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse wurden sowohl auf Varianten eines aktuellen Langstreckenflugzeugs mit einem turbulent umströmten Flügel angewendet, als auch auf eine Konfiguration mit einem widerstandsminimaIen Flügel mit Hybrid-Laminar-TechnoIogie (HLFC). Im Einzelnen wurden in In-Fly-Tec die Verfahren für die parametrische Modellierung von Flügelstrukturen mit anschließender Strukturoptimierung auT Basis von umfassenden Lastanalysen erweitert. Die Aussagekraff der Ergebnisse erhöhte sich durch die Integration der Lasten aus Hochauftrieb in die Lastanalyse. Als aktive Maßnahmen zur Lastreduktion wurden Regelungskonzepte wie Feedback-Regelung, LIDAR-basierte Regelung und Kombinationen dieser Ansätze untersucht. Eine umfassende vergleichende Betrachtung mit Bewertung des Potentials für eine Reduktion der Strukturmassen durch diese Lastabminderungsmaßnahmen wurde anhand mehrerer Flugzeugkonfigurationen durchgeführt. Für die HLFC-Konfiguration zeigte die Analyse von Laminarprofilen bei turbulenter Umströmung keine Einschränkung der KIappenwirksamkeiten. Die LastkontroIlmaßnahmen der turbulenten Konfiguration ist auf die HLFC-Konfiguration übertragbar. Das Verständnis der physikalischen Grundlagen für die HLFC-Kammerströmung wurden deutlich erweitert. Aspekte dabei sind die numerische Simulation und Validierung kammertreier Absaugsysteme mit spannweitig langgezogenen Kammern und die Analyse des Einflusses spannweitiger Druckgradienten auf die Kammerströmung und die Absauggeschwindigkeiten. Ebenso wurde die numerische Modellbildung verbessert, sowohl für die Erstellung eines schnellen numerischen Verfahrens zur Transitionsvorhersage in nicht-konischen Grenzschichten, für die automatisierte, iterative Transitionsvorhersage für HLFC-Konfigurationen mit dem DLR TAU Code für relevante Instabilitäten, wie auch für eine verbesserte Widerstandsvorhersage durch konsistente Berücksichtigung von Grenzschichtabsaugung in Transitionsvorhersage und CFD-Verfahren. Insgesamt wurde die HLFC-SimuIationsfähigkeit mit TAU hergestellt und bestehender Prozesse durch Automatisierung rationalisiert.