M.D. Krengel, M. Hepperle

Im heutigen Flugzeugentwurf wird der Flügel oft durch semi-empirische Methoden dimensioniert. Häufig bleibt dabei die Elastizität des Flügels aus Gründen der Rechenzeit unberücksichtigt. Es ist jedoch vielversprechend, die Disziplinen Aerodynamik, elastische Strukturdynamik und Flugregelung bereits im Vorentwurf eines Flugzeugs multidisziplinär zu betrachten. In diesem frühen Stadium des Entwurfs können einerseits die gekoppelten physikalischen Effekte für Technologien wie Lastabminderung und andererseits der Einfluss von Entwurfsparametern wie die Flügelstreckung gemeinsam evaluiert werden, ohne sehr große Simulationsrechenleistung oder erhöhten Aufwand zur Erzeugung detailreicher Simulationsgeometrien aufbringen zu müssen. Dadurch sind eventuell andere Konfigurationsentscheidungen vorteilhaft, die ohne diese Berücksichtigung nicht in Betracht kommen. Es ist insbesondere Ziel, zu untersuchen ob es im Entwurfsraum Konfigurationen gibt, die gegenüber einer heutigen Referenz eines Langstreckenflugzeugs weitere Effizienzvorteile haben. Der entwickelte und hier gezeigte Prozess erweitert den Vorentwurf um eine Strukturauslegung für den flexiblen Flügel, mittels Missions-basierter aero-elastischer Lastfälle im Freiflug. Die Simulationen bauen dabei auf Traglinienverfahren zur Berechnung der Aerodynamik, kombiniert mit nichtlinearen Euler-Balken für die Analyse der Strukturlasten und Verformungen auf. Die Struktur wird auf Basis kohlefaserverstärkter Kunststofflaminate ausgelegt. Innerhalb des Prozesses wird die Software ASWING vom Massachusetts Institute of Technology [4,5] zur Aerodynamik-Strukturkopplung eingesetzt. Die Strukturauslegung des Flügels ist vollständig in eine Gesamtentwurfsumgebung integriert und die Effekte des Gesamtflugzeugs werden auf der Basis semi-empirischer Methoden und Handbuchmethoden erfasst. Dieser Artikel zeigt grundsätzliche Einflüsse verschiedener Flügelgeometrien und der Lastreduktion auf die Flügelmasse und den Treibstoffverbrauch an konvergierten Flugzeugentwürfen. Der Parameterraum umfasst vor allem Parameter des Flügelgrundrisses. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Streckung des Flügels. Als Ausgangspunkt der Untersuchungen und damit als Referenz dient ein generischer Langstreckenflugzeugentwurf mit aktuellem Technologiestand. Es zeigt sich ein deutlicher Einfluss der globalen Reduktion des Lastenniveaus. Der sinnvolle Bereich von Lastabminderung ist grundsätzlich beschränkt. Zusätzlich werden die Sensitivitäten auf verschiedene Grundrissparameter des Flügels betrachtet.

In current aircraft design, the wing is often dimensioned using semi-empirical methods. Frequently, the wing's elasticity is disregarded due to computational time constraints. However, it is promising to consider the disciplines of aerodynamics, elastic structural dynamics, and flight control in a multidisciplinary manner as early as the preliminary design stage. At this early stage, the coupled physical effects of technologies such as load reduction and the influence of design parameters such as aspect ratio can be jointly evaluated without requiring extensive simulation computing power or increased effort to generate detailed simulation geometries. This may lead to advantageous configuration decisions that would not otherwise be considered. The primary objective is to investigate whether there are configurations within the design space that offer further efficiency advantages compared to a current reference long-range aircraft. The process developed and presented here extends the preliminary design to include a structural design for the flexible wing, using mission-based aeroelastic load cases in free flight. The simulations are based on lift-line methods for calculating aerodynamics, combined with nonlinear Euler beams for analyzing structural loads and deformations. The structure is designed using carbon fiber reinforced polymer laminates. Within the process, the ASWING software from the Massachusetts Institute of Technology [4,5] is used for aerodynamic-structure coupling. The wing's structural design is fully integrated into a comprehensive design environment, and the effects of the entire aircraft are captured using semi-empirical and manual methods. This article demonstrates the fundamental influences of various wing geometries and load reduction on wing mass and fuel consumption in converged aircraft designs. The parameter space primarily encompasses parameters of the wing planform. The main focus is on the wing aspect ratio. A generic long-range aircraft design with current technology serves as the starting point for the investigations and thus as a reference. A significant influence of the global reduction in load levels is evident. The practical range of load reduction is inherently limited. Additionally, the sensitivities to various floor plan parameters of the wing are considered.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2021

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2021

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 11 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2021091715280177834416

10.25967/550208

Flugzeuggesamtentwurf, Lastabminderung

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Krengel, M.D.; Hepperle, M. (2021): Einfluss von Lastabminderung im Flugzeugkonzeptentwurf - Auswirkung auf die Treibstoffeffizienz und Flügelmasse bei unterschiedlichen Flügelgeometrien. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V.. (Text). https://doi.org/10.25967/550208. urn:nbn:de:101:1-2021091715280177834416.

17.09.2021