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Development of methods for deriving optimized shapes of morphing structures considering both aerodynamic performances and specific mechanical morphing boundary conditions

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Eine neuartige Optimierungsidee nimmt Fahrt auf

Dank innovativer Optimierungsmethoden für die Konstruktion von formverändernden Tragflächen kann die nächste Generation von Flugzeugen wie ein Adler abheben und fliegen – mit höherer Effizienz und weniger Emissionen.

Industrielle Technologien

Die Natur ist vielleicht die beste Optimierungsquelle, die es gibt. Vögel im Flug bilden dabei ein hervorragendes Beispiel. Von Daedalus und Icarus mit ihren gefiederten Flügeln bis hin zu den formverändernden Tragflächen, die von den Gebrüdern Wright für ihren „Wright Flyer“ patentiert und verwendet wurden, die Menschen haben schon immer versucht, die optimierten Flügel von Vögeln nachzuahmen. Obwohl die Gebrüder Wright schon die richtige Idee hatten, führten die Forderungen nach zunehmender Geschwindigkeit, Nutzlast und Entfernung im Laufe der Jahre zu starreren Flugzeugstrukturen, die sich nicht an sich ändernde aerodynamische Bedingungen anpassen können. Doch nun schließt sich der Kreis, da sich die Industrie inzwischen für die Entwicklung der nächsten Generation von formverändernden Tragflächen einsetzt, mit der die Flugeffizienz verbessert und der Energiebedarf und die Emissionen gesenkt werden sollen. Dazu sind jedoch bessere Entwurfswerkzeuge erforderlich. Das EU-finanzierte Projekt OPTIMOrph hat im Rahmen des europäischen Programms Clean Sky, dem größten Forschungsprogramm für den Luftverkehr, das jemals in Europa gestartet wurde, auf diese Nachfrage der Industrie reagiert.

Aktuelle Optimierungsmethoden sind nicht optimal

Das derzeitige Design herkömmlicher Flugzeugtragflächen berücksichtigt die aerodynamischen und strukturellen Faktoren getrennt voneinander, d. h. es wird zuerst der eine und dann der andere Faktor optimiert. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis man sich einem Design annähert, das es dem Flugzeug ermöglicht, unter einer Reihe von Flugbedingungen mit akzeptabler, wenn auch nicht optimaler Leistung zu fliegen. Während die Genauigkeit der Algorithmen mit steigender Anzahl von Freiheits- und Komplexitätsgraden zunimmt, erhöht sich auch das „Gewicht“ der Software auf Kosten der Geschwindigkeit. „Im Projekt OPTIMOrph wurde eine integrierte Methode zur aerodynamischen und strukturellen Optimierung entwickelt, die die Einschränkungen und Eigenschaften der ausgewählten Konzepte und Materialien von Anfang an in die aerodynamische Optimierung einbezieht. Damit liefert die Methode optimierte Zielformen, die praktisch umgesetzt werden können. Das Ergebnis sind erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen im Zusammenhang mit dem Design- und Entwicklungsprozess“, erklärt Projektkoordinatorin Rita Ponza.

Effiziente Algorithmen für effiziente Flugzeuge

Schwerpunkt von OPTIMOrph war die Optimierung eines Hochauftriebs- und Flugzustands. Die aerodynamischen Ziele für das erste Anliegen des Projekts waren die Maximierung des maximalen Auftriebsbeiwertes sowie die gleichzeitige Maximierung der aerodynamischen Effizienz (Gleitverhältnis) bei 70 % des maximalen Auftriebsbeiwertes. Für den Flugzustand wurde die Maximierung der aerodynamischen Effizienz bei einem festen Anstellwinkel gewählt. Das Team untersuchte zwei verschiedene Strategien zur Formveränderung. Bei der ersten wurde der Bereich, in dem die Formveränderung stattfinden soll, auf zwischen 0 % und 15 % der Profilsehne festgelegt, eine imaginäre gerade Linie, die die Vorder- und Hinterkante eines Tragflügels verbindet. Bei der zweiten wurde der Flugzeughaut ein höheres Maß an Verformbarkeit verliehen. In beiden Szenarien der Formveränderung übertraf die formverändernde Tragfläche sowohl unter Hochauftriebs- als auch unter Flugbedingungen die Referenztragfläche. Darüber hinaus hatte die formverändernde Tragfläche mit höherem Komplexitäts- und Verformbarkeitsgrad eine erhebliche Verringerung des Luftwiderstands bei maximalem Auftriebsbeiwert zur Folge, was zu einer noch besseren aerodynamischen Effizienz führte. „Wir haben ein nützliches Werkzeug für die Anwendung bei formverändernden Tragflächen zur Verfügung gestellt, das spürbare Auswirkungen auf die Effizienz des Designprozesses von Flugzeugen hat. Die Kombination von biologisch inspirierten Tragflächen und Ingenieurswerkzeugen kann spannende neue Ergebnisse für die Flugzeuge der nächsten Generation liefern“, so Ponza abschließend. Die größte anwendungsorientierte Forschungseinrichtung Europas, Fraunhofer, hat die OPTIMOrph-Software zur Optimierung und Verwendung in zukünftigen Projekten erhalten, insbesondere mit ihrem Partner Airbus. Diese gewinnbringende Kombination könnte formverändernde Tragflächen vom Labortisch in luftige Höhen bringen.

Schlüsselbegriffe

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