Parametrischer Entwurf und Analyse eines multifunktionalen Steuerflächenmechanismus

Abstract

Im Kontext einer nachhaltigeren Luftfahrt bietet der Flügel Potenzial zur Verbesserung der aerodynamischen Effizienz und damit zur Reduktion des Treibstoffverbrauchs. Im Fokus stehen multifunktionale Steuerflächen, die mehrere Steuerfunktionen wie Hochauftrieb, Rollsteuerung und Lastreduktion gleichzeitig erfüllen sollen. Eine weitere Effizienzsteigerung ermöglicht die Verwendung hybrider Aktuatorarchitekturen, bei der ein hydraulischer Redundanzpfad durch einen gewichtsreduzierenden elektrischen Pfad ersetzt wird. Die Implementierung solcher Entwurfsprozesse in eine virtuelle Umgebung wie CATIA V5 bietet zudem wirtschaftliche Vorteile durch reduzierte Entwicklungszeit und -kosten. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer solchen Umgebung sowie die Erstellung eines parametrischen, weitgehend automatisierten Modells zur Auslegung eines Steuerflächenmechanismus für eine multifunktionale Klappe. Innerhalb dieser Umgebung sollen sowohl Analysen der Steuerflächenkinematik als auch der strukturellen Belastung durchgeführt werden können. Das Modell kombiniert aerodynamische, strukturmechanische und flugsystemtechnische Aspekte und unterstützt als interdisziplinäre Schnittstelle die digitalen Prozessketten am Virtual Product House des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt. Ausgehend von einer Referenzkonfiguration wird ein Mechanismus basierend auf einer Dropped Hinge Flap untersucht, der zwei lineare Aktuatoren in hybrider Ausführung (servo-hydraulisch und elektro-hydrostatisch) verwendet. Der Mechanismus muss eine Ausfahrbewegung in Strömungsrichtung ermöglichen und negative Klappenausschläge zur Rollsteuerung realisieren. Für die Bewegungsanalysen genügt die Erstellung eines Drahtmodells, während für strukturmechanische Bewertungen in Landekonfiguration ein Volumenmodell inklusive Materialdefinition erzeugt wird, das zugleich der Bauraumanalyse dient. Die erzeugten Parameter werden hinsichtlich ihrer Funktionen demonstriert und zur Verbesserung von Geometrie, Kinematik und Lastverteilung variiert. Zur Realisierung der Klappenbewegung - insbesondere bei negativen Winkeln und unter Berücksichtigung von Flügelmodifikationen - wurde durch Anpassung relevanter Designparameter wie der Scharnierpunkte eine funktionsfähige Kinematik entwickelt. Eine wichtige Modifikation besteht in der Integration eines absenkbaren Panels an der Flügelhinterkante, welches Ausfahreigenschaften bei negativen Winkeln verbessert und eine gleichmäßige Spaltführung entlang der Spannweite erzielt. Zur gleichmäßigen Lastverteilung und zur Begünstigung der hybriden Aktuatorarchitektur wurden die Mechanismusstationen lateral verschoben. Eine Finite-Elemente Analyse und nachfolgende Geometrieanpassungen ermöglichen eine Reduktion lokaler Spannungsspitzen um über 70 % und eine Gewichtseinsparung von bis zu 30 %. Zusätzlich wurde ein umschließendes Fairing auf Basis der Klappenbewegung dimensioniert, welches nur geringe Widerstände aufgrund kompakter Maße des Mechanismus erzeugt. Perspektivisch soll das Modell um präzisere Daten bezüglich Material und Lasten erweitert, und die Spaltgröße durch ein Panel aerodynamisch optimiert werden. Ebenfalls könnte das Modell hinsichtlich eines höheren Automatisierungsgrades, der Integration eines für den Mechanismus dimensionierten Aktuators und topologischer Optimierungen weiterentwickelt werden. Zusätzlich können exportierte Konfigurationen für CFD- und Mehrkörperanalysen eingesetzt werden.