oLAF - Ergebnisse der multidisziplinären Flügeloptimierung, Projektbericht Version 1.0

Abstract

Im Rahmen des DLR-Projekts oLAF werden die Technologien des adaptiven Flügels untersucht und deren Potential zur Steigerung der Flugleistung und Effizienz am Beispiel eines Langstreckenverkehrsflugzeugs quantifiziert. Dazu erfolgt in der ersten Entwurfsphase der multidisziplinäre Entwurf eines Referenzflugzeugs auf Basis des heutigen industriellen Stands der Technik in Bezug auf die Struktur- und Lastabminderungstechnologien. Anschließend wird in der zweiten Entwurfsphase das optimal lastadaptive Flugzeug auf Grundlage der identischen Anforderungen ("Top Level Aircraft Requirements") und mit dem gleichen Entwurfsprozeß unter umfassender Verwendung fortschrittlicher Technologien zur Lastabminderung entworfen. Die untersuchten Technologien beinhalten den adaptiven Flügels zur Steigerung der Flugleistung im Reiseflug und zur erweiterten Manöverlastreduktion und eine fortschrittliche Faserverbundbauweise mit erhöhten Dehngrenzen und lokalem Beulen. Dieser Bericht beschreibt die im Rahmen des Entwurfsprozesses innerhalb der multidisziplinären Flügeloptimierung erzielten Ergebnisse. Für die multidisziplinäre Flügeloptimierung kam eine Prozeßkette basierend auf hochgenauen Simulationsmethoden zum Einsatz. Mit dieser Prozeßkette werden der Auftrieb und Widerstand im Reiseflug, die Belastung des Flügels im Manöverflug und die aus einer Dimensionierung des Flügelkastens resultierende Flügelmasse bestimmt. Dabei werden die Verformungen des flexiblen Flügels in allen betrachteten Flugzuständen berücksichtigt. Ein zentraler Bestandteil der Prozeßkette ist die Fähigkeit zur vereinfachten Modellierung von Steuerflächenausschlägen, welche in der Flügeloptimierung zur Steigerung der Gleitzahl im Reiseflug und zur Reduzierung der Lasten im Manöverflug eingesetzt werden. Ausgehend von einer Beschreibung der Entwurfsaufgabe in Form von Zielfunktion, Entwurfsparametern und Nebenbedingungen werden die Entwurfsphasen mit den zugehörigen Technologien des lastadaptiven Flügels vorgestellt. Die hier berücksichtigten Nebenbedingungen beinhalten die geometrische Integration eines fortschrittlichen Getriebefans (Technologie auf Basis einer Indienststellung im Jahr 2025) unter dem Flügel, des Hauptfahrwerks am Flügel und der multifunktionalen Steuerflächen an der Hinterkante des Flügels. Die multidisziplinären Optimierungen des Flügels resultieren hierbei in realistischen Flügelgeometrien. Das zentrale Ergebnis ist der Vergleich des Referenzflugzeugs aus der ersten Entwurfsphase mit dem finalen Entwurf des lastadaptiven Flugzeugs aus der zweiten Entwurfsphase. Dabei konnte ein Potential zur Reduzierung des kombinierten Kraftstoffverbrauchs und der damit verbundenen CO2-Emissionen in der Größenordnung von 5% durch die Verwendung der untersuchten Technologien des adaptiven Flügels und der fortschrittlichen Faserverbundbauweise des Flügelkastens ermittelt werden. Als kombinierter Kraftstoffverbrauch wird hier der auf die Reichweite und Nutzlast bezogene Kraftstoffverbrauch für unterschiedlich gewichtete Flugmissionen verstanden. Ein wesentlicher Bestandteil des Berichts ist eine auf den Rahmen der multidisziplinären Flügeloptimierung begrenzte flugphysikalische Bewertung des adaptiven Flügels und des verwendeten Entwurfsprozesses. Ergänzend werden die Ergebnisse einer im Projekt durchgeführten Studie zum hochgestrecken Flügel vorgestellt, welche den grundsätzlichen Einfluss der Flügelstreckung auf den Kraftstoffverbrauch unter den hier betrachteten Nebenbedingungen für ein Langstreckenverkehrsflugzeug untersucht. Weiterhin werden die im parallel durchgeführten LuFo-Projekt INTELWI erzielten Ergebnisse dem finalen Entwurf des lastadaptiven Flugzeugs aus oLAF unter Berücksichtigung der in INTELWI verwendeten Nebenbedingungen gegenübergestellt. In einem umfangreichen Anhang werden alle wesentlichen im Rahmen der multidisziplinären Flügeloptimierung erzielten Ergebnisse in Form von Tabellen und Abbildungen ohne weitere Beschreibungen zusammengefasst.