A03: Aerodynamische Kopplung von Antrieb, Flugzeugzelle und Steuerflächen für Flugzeuge mit verteilten und integrierten Antriebssystemen

Disziplin Aerodynamik

In Projekt A03 wird die synergetische Nutzung von Antriebskonzepten zur Bereitstellung von Schub und gleichzeitiger Unterstützung der Flugsteuerungsfunktionen untersucht. Dies erfolgt mit Hilfe detaillierter aerodynamischer Studien vollständiger Konfigurationen die mit maßgeschneiderten hochrealistischen Simulationsmethoden durchgeführt werden. Aufbauend auf den konzeptionellen Design-Informationen werden CAD-Darstellungen aller drei Konfigurationen, 1a, 1b und 2a, erstellt und bereitgestellt. Die aerodynamischen Untersuchungen werden aerodynamische Leistungsdaten liefern, aber auch Interferenzphänomene aufzeigen. Dabei werden die flügelmontierten, verteilten Antriebskonzepte, die heckseitige BLI Konfiguration und die Konfiguration mit heckseitigen, gestielten Strahltriebwerken untersucht. Darüber hinaus liefert das Projekt A03 den Input für die flugmechanische Bewertungen aller drei Antriebsintegrationskonzepte. Technologische Fortschritte aus anderen Projekten auf Komponentenebene werden integriert und bewertet.

Motivation

Fehlendes Verständnis über die dominierenden aerodynamischen Effekte, Synergien und Potentiale, welche bei verteilten und hoch integrierten Antriebssystemen in Kombination mit der Übernahme von Steuerungsaufgaben auf der Gesamtflugzeugebene auftreten

  • die fortschrittlichen numerischen Simulationsmethoden versprechen, die komplexen aerodynamischen Wechselwirkungen abbilden und auflösen zu können
  • Nutzen des synergetischen Potentials von verteilten und hoch integrierten Antriebssystemen im Kombination mit aktiver Strömungskontrolle, um Steuerungsaufgaben zu übernehmen und die Gesamtperformance zu verbessern.

Ziel

Aerodynamischen Charakteristiken und die Fähigkeit, Steuerungsaufgaben zu übernehmen, für drei verschiedene Konfigurationen herauszufinden und zu bewerten. Dies soll auch unter der Beachtung der Wechselwirkungen zwischen Antriebssystem und Rumpf geschehen.

  • Genaue geometrische Wiedergabe aller drei Konfigurationen
  • Hochauflösende Strömungssimulationen zur Analyse der Triebwerks-Rumpf-Interaktion für drei verschiedene Betriebspunkte in enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern aus B und C
  • Bereitstellen einer umfassenden aerodynamischen Beschreibung einschließlich der longitudinalen als auch seitlichen Stabilitätsderivativa für den Projektbereich A

Lösungsansatz

Es starten zwei Konfigurationen parallel, an welchen detaillierte aerodynamische Untersuchungen zu den Wechselwirkungen und der Leistungsfähigkeit zwischen Flugzeug und Antriebssystem stattfinden werden. Zum einen wird ein Flugzeug mit Heck montierten, Grenzschicht einsaugenden, UHBR-Triebwerken definiert und analysiert. Zum anderen eine Konfiguration mit verteilten Antrieben auf Basis von Elektromotoren. Für letztere wird eine Simulationsstrategie entwickelt, um die Interaktion von Propeller-Nachlauf mit dem Flugzeugrumpf zu erfassen. Die Auswirkung der Positionierung der Propeller-Anordnung auf die aerodynamische Interaktion wird anschließend analysiert. Um das Potenzial des Differentialschubs für die DP-Konfiguration zu bewerten, wird ein Szenario mit „einseitigem Triebwerksausfall“ untersucht, bei dem die Interferenzeffekte und die Auswirkungen auf die Dimensionierung des Leitwerks betrachtet werden. In Bezug auf den Turbofan-Triebwerke werden neben diesem Zertifizierungspunkt auch Betriebspunkte im Steig- und Reiseflug berechnet, wobei der Fokus der Analysen auf der Triebwerks-Rumpf-Interaktion und deren EInfluss auf die Schub-Widerstands-Bilanzierung liegt. Nach ca. 13 Monaten wird Konfiguration von den Turbofan-Triebwerken hin zu einem Modell V-Leitwerk gewechselt, auf welchem wiederum die Triebwerke montiert werden. Hierbei soll unter der Zuhilfenahme der aktiven Strömungskontrolle die benötigte Spannweite möglichst klein gehalten werden unter Beibehaltung der Funktionalität des Leitwerks. Am Ende der Projektlaufzeit werden für alle Konfigurationen die Stabilitäts- und Steuerbarkeitseigenschaften untersucht.

Rolle in SynTrac

Projekt A03 stellt die Verknüpfung zwischen den einzelnen Komponentenstudien und dem Gesamtmodell her. Gleichzeit untersucht es die aerodynamischen Wechselwirkungen und die Leistungsfähigkeit des Flugzeuges. Dabei stellt es folgendes zur Verfügung:

  • genaue 3D-Geometrie für numerische Simulationen im eigenen und verknüpften Projekten
  • Bewertung der Komponentengestaltungen im Gesamtentwurf, um die Vorhersage im Vorentwurf zu verbessern

An "A03: Aerodynamische Kopplung von Antrieb, Flugzeugzelle und Steuerflächen für Flugzeuge mit verteilten und integrierten Antriebssystemen" beteiligte Personen