M. Horn, H. Frhr. von Geyr, T. Weddig, J. Bruns, M. Schradick

Ressourceneffizientes Fliegen - ein zentrales Ziel aktueller und zukünftiger Entwicklungen in der Luftfahrt. Ein wesentlicher Baustein der Flugphysik zur Erreichung der Zielsetzungen in Flightpath 2050 ist die Laminartechnologie. Hybridlaminarisierung (HLFC) ermöglicht die Realisierung langer laminarer Lauflängen auf Tragflügeln bei gleichzeitiger Beibehaltung hoher Reiseflug-Mach-Zahlen und Reynolds-Zahlen. HLFC wird daher als Technologie eingestuft, die für zukünftige Langstreckenflugzeuge erheblich zur Verminderung des Gesamtwiderstandes und in der Nettobilanz zur Treibstoff- und Emissionsreduktion beitragen. Die aerodynamische Wirksamkeit der Hybridlaminarisierung, d.h. der Kombination aus Grenzschichtstabilisierung durch schwacher Absaugung und Formgebung, ist Ende der 1990er Jahren in einem sehr aufwändigen Flugversuch an einem Seitenleitwerk der A320 demonstriert worden. Die wesentlichen Herausforderungen aber liegen in der Systemvereinfachung und strukturellen Umsetzung von HLFC-Konzepten. Das Potenzial der HLFC-Technologie kann nur durch einen ganzheitlichen Ansatz in der Entwicklung gehoben werden. Zur Erhöhung der technologischen Reife wurde im LuFo Verbundprojekt HIGHER-LE ein HLFC-Segment mit einem, gegenüber dem Experimentalsystem, welches Ende der 1990er Jahre im Flugversuch verwendet wurde, vereinfachten Absaugsystem für Flug-Reynolds-Zahlen ausgelegt und letztlich an einem Großskalen-Windkanalmodell umgesetzt. Im Rahmen einer Messkampagne im DNW-LLF konnte die Funktionsfähigkeit dieses HLFC-Systems erfolgreich verifiziert werden. Im Folgenden soll der interdisziplinäre Entwicklungsprozess dieser HLFC-Absaugnase dargestellt werden. Dieser hier aufgebaute Entwicklungsprozess umfasste erstmals die enge Verzahnung der Disziplinen Aerodynamik, Struktur und Fertigung. Dies ermöglicht bereits in einem frühen Stadium der aerodynamischen Auslegung Anforderungen aus dem Strukturentwurf oder der Fertigung einzubeziehen und gleichzeitig aber auch bei der Strukturauslegung die Freiräume des aerodynamischen Designs zu nutzen. In dieser Veröffentlichung wird der Fokus auf die strukturelle Auslegung und die fertigungstechnischen Herausforderungen sowie die erarbeiteten Lösungen beispielsweise zu Strukturkonzepten und zur Mikro-Perforation von Großblechen gelegt, wohingegen das aerodynamische Design nur Erwähnung findet. Bei der hier dargelegten Auslegung der HLFC-Nase werden zudem die erforderlichen Randbedingungen für die Umsetzung der Technologie an einem Windkanalmodell dargelegt. Abschließend werden die wichtigsten Ergebnisse der Windkanalmessungen vorgestellt, die die Funktionalität des Ansaugsystems nachweisen und darauf aufbauend eine Ausblick auf zukünftige Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Hybriden Laminarhaltung gegeben.

Resource-efficient flying is a central goal of current and future developments in aviation. A key component of flight physics for achieving the objectives of Flightpath 2050 is laminar flow technology. Hybrid laminar flow control (HLFC) enables the realization of long laminar flow paths on wings while simultaneously maintaining high cruising Mach numbers and Reynolds numbers. HLFC is therefore considered a technology that will significantly contribute to reducing overall drag and, in the net balance, fuel consumption and emissions in future long-haul aircraft. The aerodynamic effectiveness of hybrid laminar flow control, i.e., the combination of boundary layer stabilization through weak suction and shaping, was demonstrated in a very complex flight test on the vertical stabilizer of an A320 in the late 1990s. However, the main challenges lie in system simplification and the structural implementation of HLFC concepts. The potential of HLFC technology can only be realized through a holistic development approach. To increase technological maturity, an HLFC segment with a simplified extraction system for flight Reynolds numbers was designed within the LuFo collaborative project HIGHER-LE. This system, compared to the experimental system used in flight tests in the late 1990s, was ultimately implemented on a large-scale wind tunnel model. The functionality of this HLFC system was successfully verified during a measurement campaign at the DNW-LLF (German Aerospace Center - Wind Tunnel). The following section describes the interdisciplinary development process of this HLFC extraction nose. This development process, established here, involved, for the first time, the close integration of the disciplines of aerodynamics, structure, and manufacturing. This allows requirements from structural design or manufacturing to be incorporated at an early stage of aerodynamic design, while simultaneously utilizing the freedoms of aerodynamic design in the structural design process. This publication focuses on the structural design and manufacturing challenges, as well as the solutions developed, for example, regarding structural concepts and the micro-perforation of large sheet metal parts, while the aerodynamic design is only mentioned briefly. The design of the HLFC nose presented here also outlines the necessary boundary conditions for implementing the technology in a wind tunnel model. Finally, the most important results of the wind tunnel measurements are presented, demonstrating the functionality of the intake system, and based on this, an outlook on future research activities in the field of hybrid laminar flow is provided.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2016, Braunschweig

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2016

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 12 Seiten

urn:nbn:de:101:1-201609303666

Laminar, Struktur

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30.09.2016