Erforschung der Reaktion von Tragflächen moderner Linienflugzeuge auf dynamische Belastungen bei Beladung mit Treibstoff
Die Tragflächen großer Passagierflugzeuge sind hochflexible Strukturen, die sich stark verformen können, wenn das Flugzeug beispielsweise auf atmosphärische Turbulenzen oder Böen trifft. In den meisten Flugzeugtragflächen sind auch die Treibstofftanks untergebracht, die in der Regel ein ähnliches Gewicht haben wie die Strukturteile. Bei den üblichen Konstruktionsverfahren für Tragflächen wird die Auswirkung von Treibstoffbewegungen oder -schwappen auf die Bemessungslasten eines Flugzeugs – in diesem Fall die maximale Verformung, für die eine Tragfläche ausgelegt ist – nicht berücksichtigt. „Dies liegt zum großen Teil an der mangelnden Reife der Werkzeuge, die der Industrie derzeit zur Verfügung stehen“, sagt Francesco Gambioli, Experte für Lasten und Aeroelastik bei Airbus. Gambioli koordiniert mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts SLOWD eine branchenweite Forschungsanstrengung zur Untersuchung der Nutzung von Treibstoffschwappen als Mittel zur Verringerung der Bemessungslasten auf Flugzeugstrukturen. Das Projektteam konzentrierte sich auf die Tragflächen großer ziviler Passagierflugzeuge, die so konstruiert sind, dass sie Belastungen durch atmosphärische Böen und Turbulenzen sowie durch Stöße bei der Landung standhalten.
Versuchsaufbauten und innovative numerische und analytische Werkzeuge
Das Hauptziel des Projekts war die Quantifizierung des Ausmaßes, in dem das Flüssigkeitsschwappen in Flugzeugtanks das strukturdynamische Verhalten eines Linienflugzeugs beeinflusst. Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelten die Forschenden Versuchsanordnungen, die durch innovative numerische und analytische Werkzeuge ergänzt wurden. „Die Tatsache, dass dieses Forschungsthema in der Vergangenheit noch nicht bearbeitet worden war, war eine große Herausforderung, aber die Kombination von Fähigkeiten und Fachwissen der Konsortiumsmitglieder war unglaublich“, fügt Gambioli hinzu. „Sie führte zur neuartigen Anwendung etablierter Methoden sowie zur Entwicklung völlig neuer Techniken zum Verständnis und zur Modellierung des komplexen physikalischen Verhaltens des Schwappens in Flugzeugtragflächen.“
Besseres Verständnis des dynamischen Verhaltens von Tragflächen
Zu diesen Anwendungen und Methoden gehörten hochmoderne numerische Verfahren, mit denen die Planung der Versuchsreihe unterstützt wurde. Mithilfe dieser Methoden wurde ein ausgeklügelter digitaler Zwilling des Tragflächenaufbaus konstruiert. Im Rahmen des Projekts wurden auch verschiedene Modelle mit reduzierter Ordnung und analytische Modelle zur Vereinfachung komplizierter numerischer Systeme entwickelt und bewertet, von denen sich viele nahtlos in einen ganzheitlichen Konstruktionsrahmen integrieren lassen. „Mit diesen Werkzeugen konnten wir das dynamische Verhalten von Tragflächen erforschen und herausfinden, wie moderne Linienflugzeugtragflächen auf dynamische Belastungen reagieren, wenn sie mit Treibstoff beladen sind“, erklärt Gambioli.
Verfügbar für die Anwendung bei der aktuellen Flugzeugkonstruktion
Zu den Ergebnissen dieser Forschung gehört eine umfassende Datenbank mit Messungen, die als Referenz für die numerischen und analytischen Methoden des Projekts dient. Im Rahmen des Projekts wurden zudem mehr als 100 Artikel verfasst, von denen viele in angesehenen Peer-Review-Fachzeitschriften veröffentlicht wurden. Laut Gambioli sprechen die Quantität und die Qualität der Forschung für sich selbst. „Unsere Arbeit ist nicht auf den akademischen Bereich beschränkt, sondern kann dank des Engagements der Industriepartner des Projekts auch bei der tatsächlichen Konstruktion von Flugzeugen angewandt werden“, erklärt er abschließend. Das Projektteam bereitet sich derzeit darauf vor, seine Lösungen anhand eines Prototyps einer Tragflächenstruktur im Originalmaßstab zu testen.
Schlüsselbegriffe
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