Untersuchungen zu hochgestreckten, last-geregelten, ultra-effizienten, intelligenten Flügeln INTELWI-DLR Schlussbericht

Abstract

Im Verbundvorhaben INTELWI wurden vom DLR Technologien des hochgestreckten, adaptiven und intelligenten Flügels für effiziente Verkehrsflugzeuge untersucht. Dazu wurde ein effizientes Langstreckenverkehrsflugzeug mit hochgestrecktem Flügel multidisziplinär entworfen und optimiert. Der zugehörige Flügelentwurf ist unter Berücksichtigung realistischer und mit dem Flugzeughersteller Airbus abgestimmten Nebenbedingungen und Basistechnologien nach aktuellem Stand der Technik erfolgt und bildet die Referenz für die zu untersuchenden Technologien des adaptiven Flügels. Die Evaluierung des Flugzeugentwurfs zeigte einen in der Größenordnung von 10% geringeren Kraftstoffverbrauch und der damit verbundenen CO2-Emmissionen gegenüber heutigen Verkehrsflugzeugen. Durch den Entwurf und die Bereitstellung des Referenzflugzeugs im Verbund, konnten die einzelnen Technologien dort integriert, deren Potentiale im Detail untersucht und anschließend auf Gesamtflugzeugebene bewertet werden. Mit den für den adaptiven Flügel ausgewählten Technologien der Manöverlastreduktion konnte im Rahmen der multidisziplinären Flügeloptimierung eine Reduzierung der Strukturmasse in der Größenordnung von 600kg erzielt werden. Mit der Anpassung der Auftriebsverteilung durch optimale Steuerflächenausschläge an der Flügelhinterkante konnte die Flugleistung im Reiseflug unter Berücksichtigung der elastischen Flügelverformungen weiter gesteigert werden. Die Optimierung des adaptiven Flügels resultierte in einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs in der Größenordnung von 4% gegenüber dem Referenzflugzeug. Diese Ergebnisse konnten auf Gesamtflugzeugebene bestätigt werden. Zusätzlich wurden Technologien zur aktiven Böenlastreduktion unter Nutzung eines Systems zum frühzeitigen Detektieren von Böen, von geeigneten Architekturen für die Flugzeugsysteme mit multifunktionalen Steuerflächen im Hinblick auf Systemmassen, Leistungs- und Bauraumbedarf und neuartige Strukturtechnologien lokal beulender Hautfelder untersucht, welche weitere Potentiale zur Last- und Strukturmassenreduzierung aufzeigt haben. Eine Studie zur Böenlastreduktion zeigte, dass die Auftriebserhöhung infolge einer Vertikalböe mit einem geeigneten Ausschlag der Hinterkantenklappe fast vollständig ausgesteuert werden kann. Eine Software zur Anwendung der Methode des "Model-Based System Engineering" (MBSE) wurde im Projekt entwickelt und zum Beispiel auf die Beschreibung der Architektur des Flugsteuerungssystems angewendet. Der Flugzeuggesamtentwurf wurde um die Funktionalitäten zur Modellierung der Lastabminderung unter Berücksichtigung der Strukturdimensionierung des Flügelkastens, der Flügelverformung und der vereinfachten Flugregelung erweitert. Die entsprechende Anwendung auf den hochgestreckten Flügel wurde demonstriert. Die multidisziplinäre Entwurfsoptimierung des hochgestreckten Flügels basierend auf hochgenauen Simulationsverfahren erfolgte mit einem effizienten gradientenfreien Prozess, welcher hier erstmalig in Kombination mit dem inversem Flügelentwurfsverfahren erfolgreich eingesetzt wurde. In diesem Prozess konnten neben der Profil- und Flügelgeometrie auch die Steuerflächenausschläge zur Lastreduktion und Steigerung der Flugleistung optimiert werden. Im Bereich der Flugregelung wurden die Methoden zum Reglerentwurf basierend auf der Modellierung eines LIDAR-Systems zur frühzeitigen Detektion von Böen und einer Lastreduktion durch aktive Steuerflächenausschläge weiterentwickelt. Eine Modellierung von innovativen und dezentralen "Remote Electronic Units" (REU) und die Integration realistischer Aktuatormodelle und deren Integration in die Simulationsumgebung ist erfolgt. Weiterhin wurden neuartige Prozesse für Überwachungs- und Wartungsansätze zum "Structural Health Monitoring" entwickelt und demonstriert.