Aktuelle Forschungsprojekte

Nachfolgend finden Sie eine Auswahl aktueller Forschungsprojekte am Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme in den Forschungsbereichen:

Eine Liste bereits abgeschlossener Projekte finden Sie hier.


Forschungsbereich Flugzeugentwurf

ADEBO: Aircraft Design Box

Die Durchführung von Flugzeugentwurfsstudien und -optimierungen erfordert eine flexible, benutzerfreundliche und erweiterbare Entwurfsumgebung, um sowohl konventionelle als auch unkonventionelle Flugzeugkonfigurationen auslegen und innovative Technologien berücksichtigen zu können. Vor diesem Hintergrund wird am Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme eine Flugzeugentwurfsumgebung für das Conceptual Design und die frühen Phasen des Preliminary Designs zur Anwendung in Forschung und Lehre entwickelt. Sie basiert auf dem universellen, objekt-orientierten Datenmodell ADDAM (Aircraft Design Data Model), welches sowohl für Transportflugzeuge als auch für UAVs verwendbar ist. Für die einzelnen Teilgebiete des Flugzeugentwurfs wird eine erweiterbare Sammlung bereits existierender sowie speziell entwickelter Ansätze und Verfahren mittels einer standardisierten Schnittstelle an das Datenmodell angebunden. Eine Bibliothek von Flugzeugen, Flügelprofilen, Triebwerken und Materialien erhöht die Wiederverwendbarkeit und erleichtert die schnelle Untersuchung verschiedener Konzepte.

 

UNICADO: UNIversity Conceptual Aircraft Design and Optimization

Der konzeptionelle Flugzeugentwurf wird seit Jahren eingesetzt, um neue Flugzeugkonfigurationen zu entwickeln oder neue Technologien in bestehenden Flugzeugkonfigurationen zu bewerten. Bis dato wurden in der Industrie und an Universitäten verschiedene Flugzeugumgebungen entwickelt, die einen ähnlichen Entwicklungstand aber unterschiedliche Kompetenzen aufweisen. Mit dem Hintergrund die Entwurfsexpertisen und die disziplinären Fachkenntnisse der deutschen Luftfahrtuniversitäten zu bündeln und langfristig nutzbar zu machen, wird eine gemeinsame universitäre Flugzeugentwurfsumgebung im Rahmen des Projektes UNICADO aufgebaut. Grundsätzliches Ziel ist das Ausschöpfen von Synergiepotenzialen und eine Fokusverschiebung in Forschung und Lehre von Codeentwicklung hin zu eigentlicher Entwurfstätigkeit. Die Entwurfsumgebung wird gemeinsam mit der Industrie und Großforschung validiert. So soll die Anschlussfähigkeit an die Entwurfsprozesse der Industrie und außeruniversitärerer Forschung sichergestellt und damit effiziente gemeinsame Forschung im Bereich Flugzeugentwurf ermöglicht werden.

Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

Partner RWTH Aachen, Technische Universität Berlin, Universität Stuttgart, Technische Universität Hamburg, Technische Universität Braunschweig
Assoziierte Partner Airbus SE
Kontakt Julia-Marie Chrzan, Kristina Kossarev

FLiPASED: Flight Phase Adaptive Aero-Servo-Elastic Aircraft Design Methods

FLEXOP project, the predecessor of FLiPASED, was where the Institute has started its work in the field of multidisciplinary aircraft design. Created within the Horizon 2020 framework (funded by the European Union), the research work of the project was focused on aeroelasticity and flutter modelling, while the design team was responsible for overall design of the demonstrator used for testing the innovative active flutter suppression methods. The result was a 65kg, 7m wingspan UAV with interchangeable wing sets, each built to investigate a specific aeroelastic problem. The demonstrator went through flight testing, generating real-life data as a supplement for the simulations.

Building on this, the FLiPASED (Flight Phase Adaptive Aero-Servo-Elastic Aircraft Design Methods) project was launched within the same Horizon 2020 framework. The goal of the project is to further advance the methods in integrated aircraft design, coupling in between the areas of aeroelasticity, flight control methods, as well as certification and instrumentation. More than 10% fuel efficiency improvement and 20% reduction in peak amplitude of the gust response, as well as a 50% reduction of number of distinct models used during the development and certification process are set as project goals. The project will raise the efficiency of a currently separately existing development toolchains. It will develop methods and tools for very accurate flexible-mode modelling and flexible aircraft control synthesis, the accuracy of which will be validated using the FLEXOP UAV demonstrator. The results will be shared along with design requirements and standardized interfaces in an open source approach.

Senkrechtstartfähige unbemannte Fluggeräte (VTOL UAV)

Durch die Kombination von Senkrechtstartfähigkeit und aerodynamischen Vorwärtsflug entsteht ein Fluggerät, welches flexibel eingesetzt werden kann und die Durchführung neuartiger Missionen ermöglicht. In diesem Projekt werden die wichtigsten Aspekte solcher Fluggeräte untersucht. Die Missionsparameter und Einsatzgebiete werden analysiert und entsprechende Konfigurationskonzepte für die verschiedene Missionstypen erarbeitet und bewertet. Nach diesen Voruntersuchungen („Preliminary Design“) werden die Parameter der vielversprechendsten Konfiguration für die maximale Missionsleistung optimiert. Einhergehend mit dieser Detailauslegung („Detailed Design“) werden essentielle Subsysteme identifiziert, konstruiert und eingehend getestet. Im Anschluss an die Detailauslegung werden Prototypen der Fluggeräte mithilfe der lehrstuhleigenen Werkstätten gefertigt und im Flugversuch getestet. Damit wird für jedes umgesetzte Konzept ein kompletter Zyklus im Flugzeugentwurfsprozess durchlaufen. Der Fokus liegt auf unbemannte Fluggeräte mit einem maximalen Abfluggewicht von 5 kg – 150 kg. Als Antriebssysteme wird hauptsächlich auf elektrische Systeme zurückgegriffen (eVTOL UAV).

MILAN - Morphing Wings for Sailplanes

Moderne Segelflugzeuge fliegen sowohl im langsamen Thermikkreisflug, als auch im schnellen Vorflug dazwischen. Das Ziel ist eine möglichst hohe Gesamtgeschwindigkeit. Aus Sicht der Aerodynamik ist ein Kompromiss notwendig zwischen den beiden Flugzuständen bei zwei Auftriebsbeiwerten. Durch das Ändern der Flügelwölbung kann der Kompromiss verkleinert werden. Dies kann beispielsweise durch eine konventionelle Wölbklappe an der Flügelhinterkante erreicht werden. Im Projekt MILAN wird zusätzlich zur Wölbklappe die Vordersektion elastisch verformt, was in der heruntergemorphten Stellung zu einem höheren maximalen Auftriebsbeiwert innerhalb der Laminardelle führt. Das erlaubt es, die Flügelfläche und damit die umströmte Oberfläche zu verkleinern, wobei die Kreisflug- und Überziehgeschwindigkeit beibehalten werden kann. Die maximale Flächenbelastung dagegen kann erhöht werden. Dadurch ergeben sich sowohl eine höhere maximale Gleitzahl, als auch höhere Gleitzahlen bei hohen Geschwindigkeiten.

Es gibt vier Hauptforschungsgebiete:

  • Profil- und Flügelaerodynamik
    Es werden Profile in gemorphten und ungemorphten Konfigurationen mit numerischer Optimierung entworfen. Daneben wird auch ein Flügelgrundriss mit Winglets optimiert.
  • Topologieoptimierung
    Die Vordersektion wird durch Rippen verformt, die als sogenannte Compliant Mechanisms ausgeführt sind. Das sind elastische Gelenkstrukturen, die der Schale die Zielverformung aufprägen. Die Mechanismen werden mittels numerischer Topologieoptimierung synthetisiert. Am LLS wurde ein neuer Optimierungscode entwickelt, der mit linearer- und nichtlinearer FEM arbeitet und Spannungsrestriktionen berücksichtigt.
     
  • Elastische Morphingschale
    Eine hochgradig anisotrope Schale ist notwendig um einerseits kleine Verformungskräfte in Profiltiefenrichtung- als auch eine hohe Steifigkeit in Spannweitenrichtung zu erreichen. Verschiedene Konzepte, alle aus Faserverbundwerkstoffen, werden entworfen, getestet, simuliert und optimiert.
     
  • Statische/Dynamische Aeroelastik
    Durch die elastische Vordersektion verringert sich der Bauraum für die lasttragende Primärstruktur des Flügels. Dieser verdreht sich unter aerodynamischer Last, was durch Aeroelastic Tayloring reduziert werden kann. Die Primärstruktur wird auch im Hinblick auf das dynamische aeroelastische Verhalten optimiert.

ProFla - Prozesskette Flattern

Im Projekt ProFla entsteht eine aeroelastische Prozesskette, mit welcher Kleinflugzeuge mit hochgestreckten Tragflügeln bereits in einem frühen Entwurfsstadium effizient entwickelt und sicher zugelassen werden können. Dies umfasst neben der Erforschung der instationären Aerodynamik moderner Laminarprofile insbesondere die Entwicklung einer numerischen Toolkette und deren Validierung durch umfangreiche Boden- und Flugversuche. Hierfür werden geeignete Berechnungsmethoden implementiert, die eine automatische Anpassung der Simulationsmodelle an experimentelle Ergebnisse ermöglichen sollen.

Testumgebung Iron Bird

Dank moderner rechnergestützter Konstruktions- und Simulationsprogramme, werden Flugzeugsysteme stetig optimiert. Jedoch bedarf es zusätzlich an hardwareseitigen Tests, um sicherzustellen, dass Funktions- und Zuverlässigkeitsanforderungen an die Bordsysteme erfüllt sind. Die Iron-Bird-Testumgebung bietet eine flexible Plattform für die Evaluation u.a. der Funktionalität des Flugsteuerungssystems, der Avionik-Busse und des Leistungsverteilungsnetzwerkes. Die dedizierte elektromechanische Ausstattung ermöglicht die Hardware-in-the-Loop-Versuchsdurchführung unter vorgegebenen Bedingungen und die Aufzeichnung eines breiten Spektrums an Parametern mit hohen Abtastraten.

Ziele:

  • Unterstützung des Entwurfs und der Integration von unbemannten Flugdemonstratoren
  • Vorbereitung von unbemannten Fluggeräten für die Implementierung von neuartigen Flugzeugsystemarchitekturen
  • Sicherstellung der Einhaltung von funktionalen und Zuverlässigkeitsspezifischen Anforderungen

Forschungsbereich Szenarioanalyse, Zukunftstrends und Technologien

Einflüsse infrastruktureller Einschränkungen auf die Luftverkehrsentwicklung

Das Projekt beinhaltet die Erstellung eines Modells zur Simulation des Einflusses von Kapazitätsbegrenzungen der Luftfahrtinfrastruktur auf die Entwicklung des Luftverkehrs. Auswirkungen von Einschränkungen der luftseitigen Flughafenkapazität sowie der Luftraumkapazität auf die Luftverkehrs- und Flottenentwicklung werden dabei untersucht. Hierzu wird auf Vorarbeiten zur Berechnung von Flughafenkapazitäten, aber auch zu Verkehrs- und Flottenentwicklung und Netzwerkstrukturen zurückgegriffen. Mittels Szenariotechnik werden unterschiedliche Szenarien zur Infrastrukturentwicklung generiert und es werden verschiedene Interaktionsmechanismen zwischen der Verkehrsentwicklung und deren infrastrukturellen Einschränkungen betrachtet.

   
Kontakt Johannes Michelmann

Forschungsbereich Analyse und Bewertung von Flugzeugkonzepten

Ganzheitliche Konzeptbewertung im Flugzeugvorentwurf

Die Bewertung neuartiger, konzeptioneller Flugzeugkonzepte anhand operationeller Parameter stellt in vielerlei Hinsicht einen zentralen Punkt früher Phasen des Flugzeugvorentwurfs dar. Mit den in den Forschungsbereichen Flugzeugentwurf und Zukunftstrends & Technologien verwendeten, sowie im Rahmen dieses Forschungsbereichs entwickelten Verfahren stehen vielfältige Möglichkeiten bereit, deren Kombination eine ganzheitlichere Betrachtung des Einsatzes zukünftiger Luftfahrzeuge erlaubt. Hierbei liegt der Fokus insbesondere auf vielversprechenden Technologien zur signifikanten Senkung des ökologischen Fußabdrucks der Luftfahrt, wie Wasserstoff- oder batteriebetriebene (Hybrid-) Luftfahrzeuge. Methoden für die Berechnung von Emissionen und Klimawirkung im Betrieb sowie komplette Lebenszyklusanalysen zur ökologischen Analyse sowie Methoden zur Ermittlung von direkten Betriebskosten zur ökonomischen Analyse dieser Luftfahrtzeuge werden am Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme (weiter-)entwickelt und zunächst auf der Ebene einzelner Luftfahrzeuge bzw. exemplarischer Missionen angewendet. Hierbei kommt dem Vergleich mit vorhandenen oder weiterentwickelten konventionellen Technologien besonderes Augenmerk zu, wofür neben der Betrachtung einzelner Missionen auch die Gesamtflottenbetrachtung zentral wird. So können die Auswirkungen neuer Technologien auf die Flottenstruktur in Abhängigkeit des Einflottungszeitpunkts und der zur Verfügung stehenden Produktionskapazitäten abgeschätzt werden. Im Rahmen einer Technologiefolgenabschätzung werden in der Folge die Emissionen des Luftverkehrs für spezifische Szenarien berechnet und in Relation zueinander gesetzt. Auswirkungen neuer Technologien auf die Klimawirkung der Luftfahrt können auf diese Weise entsprechend ihrer Flottendurchdringung in globalem Maßstab quantifiziert werden. Diese ganzheitliche Konzeptbewertung erlaubt unter anderem Rückschlüsse auf einflussreiche Flugzeugparameter wie auch die Bedeutung von Produktionskapazitäten zur Erreichung von vorgegebenen Klimazielen.

Lärmanalyse und Lärmoptimierung

Der Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme (LLS) ist im Bereich der Lärmanalyse und -optimierung von UAV Systemen tätig. Durch die Nähe von Urban Air Mobility (UAM) Anwendungen zum städtischen Bereich sind lärmbewusster Entwurf und Betrieb von UAV Systemen eine Voraussetzung für die öffentliche Akzeptanz. Zum einen werden Fluglärmmessungen mit einem dafür entwickelten Messsystem durchgeführt. Diese Lärmdaten können u.a. für die Lärmmodellierung benutzt werden. Zum anderen werden hochaufgelöste 3D CFD Berechnungen durchgeführte, wobei ein Ffowcs-Williams Hawings Solver die Lärmabstrahlung des gesamten Fluggeräts berechnet. Die Kombination der beiden Methoden erlaubt sowohl die Analyse bestehender Fluggeräte und Prototypen, wie auch die Analyse rein virtueller Fluggerät-Modelle im Sinne eines virtuellen Prototyps. Die Methoden sind grundsätzlich auch auf bemannte Fluggeräte übertragbar.

   
Kontakt Michael Schmähl