Modelle für Flugzeugunfälle durch Vögel
Mit Clean Sky, dem bislang ehrgeizigsten Forschungsprogramm der EU, sollen flugverkehrsbedingte Schadstoff- und Lärmemissionen drastisch reduziert werden. Das NLF-Design (Natural Laminar Flow) bei Tragflächen ist hier eine der wichtigsten Entwicklungen, da Luftwiderstand, Kraftstoffverbrauch und damit Emissionen reduziert werden. NLF auf einem Flugzeugflügel wird über eine eine integrierte Anströmkante (LE, Leading Edge) aus Verbundmaterial erreicht, sodass eine vollständig glatte Oberfläche erzeugt und auf Verbindungselemente wie Nieten und Bolzen verzichtet werden kann. Mit der Einführung laminarer Flügelabschnitte ohne Vorflügel lässt sich jedoch die Geometrie mit bisherigen numerischen Modellen und Vogelschlagsimulationen nicht mehr prüfen. Das EU-finanzierte Projekt BIRDSTRIKE (Investigation of bird strike criteria for natural laminar flow wings) sollte ein Vogelschlaganalysemodell entwickeln und validieren, mit dem die Programmpartner des Smart Fixed Wing Aircraft (SFWA) den Aufprall von Vögeln auf die Anströmkante eines NLF-Flügels aus kohlenfaserverstärktem Kunststoff (CFRP) simulieren können. Dies wurde über ein kombiniertes Test-, Analyse- und Simulationsprogramm erreicht, mit dem das Ausmaß des Schadens und die Kriterien für das Versagen von Kompositmaterialien bei der Simulation von Vogelschlag auf Anströmkantenplatten von NLF-Flügeln ermittelt werden können. Die Projektpartner wählten Materialien und Design der Testkomponenten aus, die üblicherweise zur Konstruktion von Anströmkanten bei NLF-Trägern verwendet werden. Die Herstellung flacher, unverstärkter und verstärkter Platten erfolgte mit vorimprägniertem HexPly M21E von Hexcel, das mit der Zwischenkarbonfaser HexTow-IMA verstärkt wurde. Vogelschlagversuche wurden sowohl mit verstärkten als auch unverstärkten flachen CFRP-Platten durchgeführt, nachdem ein geeigneter Tragrahmen konzipiert worden war. Dann wurden mittels Laser-Scherographie zerstörungsfreie Prüfungen an Platten vor und nach dem Aufprall durchgeführt. Für die numerische Simulation von Vogelschlag bei Verbundstrukturen wurde ein Stack-Shell-Ansatz als vielversprechende, rechentechnisch effizientere Alternative zum klassischen Solid-Shell-Ansatz entwickelt. Für die Simulation von flachen, unversteiften und versteiften Platten in Vogelschlagversuchen entwickelte man FE-Modelle (Finite-Elemente), u.a. Vogel-, Platten-, Schadens- und Delaminationsmodelle. Zur Validierung der numerischen Simulationsmodelle wurde das ermittelte Gesamtverhalten der Platten mit Bildern von Hochgeschwindigkeitskameras für alle Testsimulationen verglichen. Sie zeigten, dass die mit FE-Analysen berechneten Deformationen mit den jeweiligen Bildern der Hochgeschwindigkeitskameras übereinstimmten. Mit der Einführung laminarer Flügelabschnitte ohne Vorflügel kann die Geometrie mit bisherigen numerischen Modellen und Vogelschlagsimulationen nicht mehr validiert werden. Diese Wissenslücken konnten nun durch die Forschungen und neuen numerischen Simulationswerkzeuge von BIRDSTRIKE geschlossen werden. So können die Projektergebnisse viel leisten, um Treibstoffverbrauch und Emissionen zu reduzieren, indem die NLF-Technik bei Kurzstreckenflugzeugen (Short Range Aircraft, SRA) eingesetzt wird.
Schlüsselbegriffe
Vogelschlag-Simulation, Vogelschlag-Tests, NLF-Design, BIRDSTRIKE
