NUMERISCHE UNTERSUCHUNG EINES ADAPTIVEN HOCHAUFTRIEBSSYSTEMS FÜR DIE FLÜGELVORDERKANTE EINES VERKEHRSFLUGZEUGS

Abstract

In den kommenden Jahren wird ein Wachstum des Luftverkehrs von etwa 5-6% jährlich erwartet. Aufgrund der damit zunehmenden Probleme im Flughafennahbereich werden in der VISION 2020 und den ACARE Forschungsagenden Forschungsziele identifiziert, die für Nachhaltigkeit und Um-weltverträglichkeit des Luftverkehrs innerhalb der nächsten Jahre erreicht werden müssen. Insbe-sondere die Themen Widerstandsreduktion sowie Lärm- und Schadstoffemissionen gewinnen da-bei zunehmend an Bedeutung. Adaptive Hochauftriebs-komponenten steigern die ökonomische und ökologische Effizienz von Luftfahrzeugen und können deshalb als Schlüsseltechnologie für das Erreichen der gesetzten Ziele gelten. Hochauftriebssysteme erweitern bei den heutigen Verkehrsflugzeugen den erfliegbaren Geschwin-digkeitsbereich durch deutliche Steigerungen des Auftriebsbeiwerts. Dies erfolgt bei den meisten heute im Einsatz befindlichen Flugzeugen u.a. durch Vorflügel, sog. Slats, an der Flügelvorderkan-te, die durch die gegenseitige Beeinflussung von Vor- und Hauptflügel ein Ablösen der Strömung erst bei wesentlich höheren Anstellwinkeln erreichen. Gleichzeitig entstehen dadurch Spalten und Stufen in der Kontur, die die Realisierung einer laminaren Strömung im Reiseflug unmöglich ma-chen. Zusätzlich stellt der geöffnete Spalt im Landeanflug eine signifikante Lärmquelle dar. Die Bereitstellung von Hochauftriebsleistung unter Vermeidung von o.a. Spalten ist in der Lage einen Beitrag zu mehreren der adressierten Problembereiche zu liefern. Spaltlose Hochauftriebs-systeme weisen eine hohe Konturqualität auf und bieten so das Potential, als notwendige Schlüs-seltechnologie zur Realisierung von Laminarflügeln. Sie führen damit zu einer signifikanten Reduk-tion des aerodynamischen Widerstands und den daran gebundenen Emissionen. Gleichzeitig kann die Schallabstrahlung des Flügels deutlich reduziert werden, wodurch die Umweltbelastung insbe-sondere im Flughafennahbereich verringert werden kann. Adaptive Systeme können also durch besonders wirtschaftliche Bauweisen spaltloser Hochauftriebskomponenten einen entscheidenden Beitrag zum wirtschaftlichen, leisen und umweltverträglichen Flugverkehr leisten. Die technische Herausforderung besteht dabei in der Vereinbarung der entgegen gesetzten Anfor-derungen des Struktur-Aktuator-Sytems: Die Leistungsfähigkeit aktiver Struktursysteme ist im We-sentlichen durch das Steifigkeitsverhältnis zwischen passiver Struktur und Aktuator bestimmt. Strukturen mit maßgeschneiderter Elastizität sind deshalb obligatorische Grundlage für adaptive Systeme hoher Effizienz. Aus Sicht der Aktuatorik ist eine möglichst elastische Oberflächenstruktur für eine effiziente Aktivierung des Systems wünschenswert. Die Strukturauslegung hingegen muss so erfolgen, dass die erwünschten aerodynamischen Zielformen ohne Zwängung der Struktur er-reicht werden und die Struktur eine ausreichende Steifigkeit aufweist um unerwünschte Verfor-mungen aufgrund von äußeren Lasten zu vermeiden. Aus der starken Umformung der Struktur zum Erreichen einer aerodynamischen Zielform entstehen hohe Dehnungen in außen liegenden Faserlagen der Haut. Kritisch ist daher die Berücksichtigung der elementaren Festigkeitsforderung als globale Randbedingung der Struktur. Der Beitrag wird ausgehend von der Konzeptauswahl für ein spaltloses Hochauftriebssystems das Vorgehen und die Problemstellungen bei der Entwicklung einer adaptiven Flügelvorderkante dar-stellen. Aktualität: Im Kontext der Hochauftriebssysteme sind die Themen Widerstandsreduktion sowie Lärm- und Schadstoffemissionen Forschungsinhalt mehrerer nationaler und internationaler Vorhaben (SADE, SmartLED, NACRE). Es werden ausgewählte Ergebnisse aus numerischen Untersuchungen und der Optimierung präsentiert, die im Rahmen des nationalen Forschungsprojekts SmartLED (Smart Leading Edge Devices) erarbeitet wurden.