Aeroelastische Auslegung eines Modellflugzeuges in Faserverbundbauweise für den dynamischen Segelflug

Abstract

Die Technik des dynamischen Segelflugs (engl. Dynamic Soaring) wird mit ferngesteuerten Modellflugzeugen für das Erreichen sehr großer Geschwindigkeiten angewendet. Der vorliegende Artikel beschreibt einen Teil der Arbeit, die für die aeroelastische Auslegung eines Modellflugzeugs für diese Flugtechnik durchgeführt wurde. Es werden das Prinzip und die physikalischen Grundlagen des dynamischen Segelflugs dargestellt und basierend darauf die aerodynamische Auslegung des Modells erläutert. Der resultierende Entwurf hat eine Spannweite von 2,8 m und eine Streckung von 16,3. Für die Flugaufgabe werden die auftretenden Lasten ermittelt und der strukturellen Auslegung zu Grunde gelegt. Der größte Lastfall tritt bei einer Fluggeschwindigkeit von 220 m/s und einem Lastvielfachen von 150-facher Erdbeschleunigung auf. Die aeroelastische Berechnung erfolgt mit der Finiten-Elemente Methode mit dem Programm MSC Nastran. Das eingesetzte Verfahren wird vorab mit einem Testflügel validiert. Dafür werden mit statischen sowie dynamischen Versuchen die mechanischen Eigenschaften des Festflügels ermittelt und mit den Rechenergebnissen verglichen. Für das neue Modell wird ein Auslegungskonzept in Faserverbundbauweise erarbeitet, welches bei einem minimalen Abfluggewicht von unter 5 kg alle geforderten Lastfälle erträgt. Es kommen ausschließlich CFK-Strukturen mit hochmoduligen Fasern zum Einsatz. Der Einfluss verschiedener Parameter auf das aeroelastische Verhalten wird dargestellt und die Ergebnisse der Strukturoptimierung beschrieben.