Modellierung der Flugzeugstabilität unter extremen Flugbedingungen
Die Flugzeugkonstruktion stützt sich in starkem Maße auf die mathematische Modellierung und die Simulation. Diese wiederum sind auf eine exakte Systemdefinition angewiesen. Der Flugbereich kann als eine Auswahl von Kombinationen von Flugparametern wie Geschwindigkeit, Höhe und Anströmwinkel aufgefasst werden, bei denen das Luftfahrzeug aerodynamisch stabil bleibt. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts 'Aerodynamic loads estimation at extremes of the flight envelope' (ALEF) wurden gängige Modelle so erweitert, dass sie eine genaue Beschreibung des Verhaltens an den Grenzen des Flugbereiches liefern. Eine wichtige Rolle bei der Modellierung spielen die Reynolds-Gleichungen (RANS) zur Approximation turbulenter Strömungen. Den ALEF-Partnern ist es gelungen, mittels komplexer strömungsmechanischer (CFD)/RANS-Verfahren stationäre und instationäre Bedingungen sowie das Flugzeugverhalten unter extremen Bedingungen z. B. bei schallnaher Geschwindigkeit, bei Sturzfluggeschwindigkeit oder bei einer starken Belastung, die einen Einsatz der Ruder erfordert, zu simulieren. Letztere dienen zur Steuerung von Flughöhe, Geschwindigkeit und Winkel. Außerdem ermöglichte das Team durch die Kopplung weiterentwickelter Strömungsmodelle mit Strukturmodellen, statische und aeroelastische Effekte einzubeziehen. Mit ALEF wurde der Nachweis erbracht, dass es möglich ist, bei instationären CFD-Modellen von linearen zu wiedergabetreueren Verfahren überzugehen und dadurch bei der Vorhersage von aeroelastischen Effekten eine höhere Genauigkeit zu erzielen. Ein wichtiger Beitrag wurde im Hinblick auf Surrogat-Modelle, auch Wirkungsflächen-Versuchspläne oder Response-Surface-Modelle genannt, geleistet. Die orthogonale Zerlegung (POD) wurde erweitert, um den Einsatz von Steuerflächen und Strukturdeformationen zu erfassen. Die resultierenden Modelle sind nachgewiesenermaßen eine schnelle Alternative zur CFD. Außerdem hat man das Potenzial eines weiteren Tools zur Erstellung instationärer Surrogat-Modelle aufgezeigt, nämlich eines Tool zur Lösung linearer Gleichungssysteme im Frequenzbereich, mit dem Ziel, das gefährliche Flattern zu erfassen, das mitunter bei zunehmender Luftströmung auftritt. Die Anwendung auf industrielle Prüffälle zeigte die Überlegenheit der ALEF CFD- und Surrogat-Modellierungsverfahren gegenüber dem Stand der Technik. Folglich leistete ALEF einen wichtigen Beitrag zur aerodynamischen Modellierung von Flugzeugkonstruktionen unter Extrembedingungen des Flugbereiches. Die voraussichtlichen Ergebnisse umfassen nicht nur eine verbesserte Risikoanalyse und sicherere Flugzeuge, sondern auch einen zusätzlichen Wettbewerbsvorteil für die europäische Luft- und Raumfahrtindustrie.