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Verbessertes Leistungsverhalten bei Hubschraubern der nächsten Generation

Eine EU-finanzierte Initiative hat eine umfassende Technologie für die Computersimulation entwickelt, die es ermöglicht, potenzielle Mängel bei neuen Arten von Drehflügler-Konfigurationen bereits früh im Entwicklungsprozess zu erkennen.

Verkehr und Mobilität

Bei der Entwicklung neuer Hubschrauber können mitunter beim ersten Testflug oder während der darauffolgenden Testkampagne wesentliche Herausforderungen auftreten. Je nach Schweregrad des Problems werden dann möglicherweise kleinere oder sogar größere Umgestaltungen nötig, um zu gewährleisten, dass die Konstruktion sicher, wirtschaftlich, schnell und geräuscharm ist. Dies kann zu Verzögerungen führen, die hohe Kosten mit sich bringen, insbesondere wenn die Schwierigkeiten spät im Entwicklungsprozess erkannt werden. Das EU-finanzierte Projekt CA3TCH hat eine hochentwickelte Simulationstechnologie eingeführt, die das aerodynamische und aeroakustische Verhalten grundlegend neuer Drehflügler-Konfigurationen, wie etwa dem von Airbus Helicopters konzipierten RACER (Rapid and Cost Effective Rotorcraft, dt.: schneller und kosteneffektiver Drehflügler), prognostizieren soll. „Das Ziel war die möglichst wirklichkeitsgetreue Wiedergabe der gesamten Konfiguration am Computer, insbesondere was die Aeromechanik und Aeroakustik angeht“, so Manuel Kessler, Koordinator von CA3TCH und Leiter der Arbeitsgruppe Hubschrauber und Aeroakustik am Institut für Aerodynamik und Gasdynamik der Universität Stuttgart. Hervorstechende Eigenschaften von RACER sind das Erreichen hoher Geschwindigkeiten kombiniert mit der Fähigkeit zu Senkrechtstart und -landung, die den Betrieb in abgelegenen Regionen zulassen und eine erhebliche Steigerung der Schnelligkeit und Reichweite von Not- und Rettungsdiensten erlauben. „Die Konfiguration mit kleinen Flügeln und Propellern zur Vortriebsunterstützung anstelle eines konventionellen Heckrotors soll bis zu 400 km/h erreichen können,“ so Kessler.

Schneller und äußerst vielseitig einsetzbar

RACER kann höhere Geschwindigkeiten als klassische Hubschrauber-Konfigurationen erreichen, behält aber im Gegensatz zu einem herkömmlichen Flugzeug die Fähigkeit zu Senkrechtstart und -landung. „Damit ist dieser Drehflügler für ausgedehnte Missionen geeignet, bei denen hohe Geschwindigkeiten genauso wichtig wie die Flexibilität sind, die durch die Möglichkeit zu Senkrechtstart und -landung ohne besondere Infrastruktur erreicht wird. Ein Beispiel sind Rettungseinsätze in abgelegenen Gebieten. Es gibt jedoch noch einige Herausforderungen zu bewältigen, wie eine Effizienzsteigerung beim Energieverbrauch und die Minimierung des Lärms“, erklärt Kessler. In Reaktion auf diese Herausforderungen haben die Forschenden die äußerst wirklichkeitsgetreue Simulationstechnik weiterentwickelt, die zur Unterstützung der aerodynamischen Gestaltung und Konzeption von RACER benötigt wird. Ziel war es, nicht mehr auf vorläufige Annahmen angewiesen zu sein und dafür bis zum Zeitpunkt des Drehflügler-Erstfluges detaillierte Pläne und Analysen für verschiedene Flugzustände zu erstellen. Der in diesem Rahmen entwickelte Ansatz, der über einen „digitalen Testflug“ führt, ermöglicht es, schon lange bevor die ersten Baugruppen gefertigt sind, eine sorgfältige Untersuchung der Leistung des Drehflüglers durchzuführen. „Wir sind an der Entwicklung von RACER mit der aerodynamischen und aeroakustischen Simulation des Gesamtsystems beteiligt“, hebt Kessler hervor. „Unser Fokus lag zunächst auf Untersuchungen zur flugmechanischen Stabilität und zu aerodynamischen Interferenzen von Rotor und Flügel. Verschiedene Flugzustände wurden dabei betrachtet, wozu wegen der großen Einsatzbandbreite von RACER auch Quer- und Rückwärtsflüge gehören. Weitere Analysen betrafen dann den möglichst effizienten Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten sowie die akustische Bewertung.“

Sicherer und wirtschaftlicher

Die hochgetreue Computersimulation der Strömungsmechanik für die gesamte Konfiguration, bei der alle Komponenten, insbesondere die Fluid-Struktur-Kopplung an den elastischen Rotorblättern sowie im stationären Flug vorgenommene mechanische Anpassungen Berücksichtigung fanden, lieferten exakte und verlässliche Daten zum voraussichtlichen Verhalten von RACER. Hierdurch ließen sich bereits in einem frühen Stadium kritische Punkte identifizieren und damit das Risiko vor dem Erstflug erheblich reduzieren. Das schlägt sich letztlich in einer kürzeren Entwicklungszeit und damit natürlich auch reduzierten Kosten nieder“, so Kessler abschließend.

Schlüsselbegriffe

CA3TCH, Hubschrauber, Simulation, RACER, Drehflügler, Aeroakustik, Aerodynamik

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