Untersuchung numerischer Methoden zur aerodynamischen Modellierung eines Flächenflugzeugs mit formveränderlicher Tragflächen-Hinterkante innerhalb einer flugdynamischen Simulation

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird ein aerodynamisches Modell zur Abbildung eines unbemannten Flächenflugzeuges mit formvariabler Tragflügel-Hinterkante innerhalb einer Flugsimulationsumgebung entwickelt. Dadurch sollen Simulationen von zukünftigen Testflug-Szenarien sowie die Entwicklung spezifischer KI-gestützter Regelungsverfahren ermöglicht werden. Für die Modellbildung wird zunächst die vorliegende Geometrie des Demonstrator-Flugzeugs in eine parametrische Form überführt. Zur parametrisierten Beschreibung der deformierten Profile kommt ein kinematisches Ersatzmodell zum Einsatz, welches auf einer modifizierten NACA-4 Systematik beruht. Die Modellierung der Formvariabilität des Tragflügels erfolgt über die Interpolation der deformierten lokalen Profilschnitte in Spannweitenrichtung. Für die Berechnung der Kräfte und Momente wird das verbreitete VLM-Programm AVL verwendet. Eine zusätzliche externe Korrektur des Profilwiderstandes findet mithilfe eines 2D-Panelverfahrens statt. Zur Bewertung der Unsicherheiten des Aerodynamik-Modells werden für verschiedene Konfigurationen die charakteristischen aerodynamischen Beiwerte der Längsbewegung mit entsprechenden Lösungen aus CFD-Untersuchungen verglichen, wobei auch die Aufteilung bezüglich der verschiedenen Vehikel-Komponenten berücksichtigt wird. Anschließend erfolgt eine Untersuchung des Einflusses der Formvariabilität auf die aerodynamischen Charakteristiken der zweidimensionalen Profilaerodynamik. Durch Gegenüberstellung des formvariablen Profils mit einem äquivalenten konventionellen Klappenprofil wird zudem das Verhalten der charakteristischen Kenngrößen für die beiden unterschiedlichen Ansätze der Profilverformung verglichen. Um das effizienzsteigernde Potential des isolierten formvariablen Tragflügels zu beurteilen, wird abschließend eine Optimierung durchgeführt, bei welcher für variable Auftriebsbeiwerte jeweils der Widerstandsbeiwert minimiert werden soll. Dabei werden zwei unterschiedliche Arten der spannweitigen Allokation der lokalen Profilverformungen berücksichtigt. Die so erhaltenen Konfigurationen weisen durchwegs einen reduzierten Widerstand sowie eine verbesserte SpannweitenEffizienz auf. Zuletzt erfolgt die Validierung der gefundenen Optimal-Konfigurationen über einen Vergleich mit entsprechenden CFD-Lösungen, wobei auch ein Ausblick auf die zu erwartende Effizienzsteigerung der Gesamt-Konfiguration gegeben wird.