Zur Optimierung eines transsonischen Kompressionsbeulentriebwerkseinlaufes

Abstract

Transsonische Kompressionsbeulentriebwerkseinläufe spielen eine bedeutende Rolle in der Entwicklung von neuen Kampfflugzeugen aber auch bei neuen supersonischen zivilen Passagierflugzeugen. Bei Kampfflugzeugen ist das entscheidende Element die Reduzierung der Radarrückstreuung, die sich einerseits aus Form und Material der Kompressionsbeule selbst ergibt, aber auch dadurch, dass sich ein klassischer Grenzschichtabscheider im Gegensatz zum Pitot-Triebwerkseinlauf vermeiden lässt. Bei zivilen Jets kommen speziell die sehr guten akustischen Eigenschaften bei Überschall zum Tragen. Klassische Pitot-Triebwerkseinläufe erreichen sehr hohe Totaldruckrückgewinne an der aerodynamischen Interface Plane (AIP) zum Triebwerk, dies über einen weiten Bereich der Flugmachzahl und zugehöriger Triebwerksmassenströme. Diese hohe Effizienz ist bei Kompressionsbeulentriebwerkseinläufen nicht so ohne weiteres zu erreichen, denn ihre Funktion und Wirkweise hängt direkt von der grundlegenden Form der Kompressionsbeule und der Treibwerkseinlaufhutze ab. Die speziell für eine bestimmte Zielmachzahl und Zielmassenstrom entworfene Konturbeule befindet sich im Vorfeld der eigentlichen Einlaufebene. Durch die aufsteilende Konturierung wird die auflaufende Überschallströmung an der Beulenfront komprimiert wird. Es stellt sich ein Stoßsystem ein, welches die impulsärmere Grenzschichtströmung seitlich vor der Einlaufkanalebene herausdrängt. Nun lässt sich eine hohe Sensitivität zwischen der geometrischen Ausgestaltung der Beulenkonturierung, der Auslegungsmachzahl, des Massenstroms, des Anstell- und Schiebewinkels, der sich einstellenden Stoßstruktur, des Totaldruckrückgewinns und der Verdrängung der impulsärmeren Grenzschichtströmung beobachten. Da jedoch die Auslegung eines solchen Kompressionstriebwerkseinlaufes insbesondere den Totalrückgewinn- und Distorsionsanforderungen der nachgeschalteten Triebwerke über weite Flugbereiche genügen muss, besteht der Bedarf an robuster Optimierung der Kompressionsbeulenkontur, was in dieser Studie diskutiert wird. Ausgangspunkt ist der generische Kompressionsbeuleneinlauf, der im Rahmen des DLR Projektes DIABOLO mit Zielrichtung der DLR Methodenentwicklung entworfen wurde. Basierend auf numerischen Simulationsstudien werden zunächst die zu beobachtenden Strömungsphänomene, die charakteristisch für diesen Einlauftyp sind, betrachtet und in ihrer Wirkung beurteilt. Daraus werden mögliche Effizienzbewertungskriterien gefolgert und diskutiert. Im Anschluss werden zwei verschiedene Optimierungsstrategien vorgestellt. Einerseits wird ein Partikelschwarmalgorithmus genutzt, in dem Evolutionsstrategien zum Tragen kommen, andererseits kommt ein Surrogatmodell-basierter Ansatz zur Anwendung. Beide Ansätze sind stark abhängig von der Formulierung der Zielfunktion. Hier besteht jedoch noch Bedarf an Strategien, die das Problem des robusten Designs adressieren. Mögliche Lösungswege aber auch offene Herausforderungen werden diskutiert. Transsonische Kompressionsbeulentriebwerkseinläufe sind wesentlich für neue Kampfflugzeuge, da sie die Radarrückstreuung reduzieren. Die hohe Effizienz von Pitot-Einläufen wird bei Kompressionsbeuleneinläufen noch nicht erreicht, da diese von der Form der Kompressionsbeule selbst und der Treibwerkseinlaufhutze abhängt. Um den Totalrückgewinn- und Distorsionsanforderungen der Triebwerke über weite Flugbereiche zu genügen, besteht der Bedarf an robuster Optimierung der Kompressionsbeulenkontur.