Multidisciplinary Design Optimization of Aircraft Wings with Active Flow Control

Die nächste Generation von Flugzeugen muss Lösungen finden, um den ökologischen, wirtschaftlichen und sozialen Herausforderungen zu begegnen. Dies impliziert die Nutzung und Verbesserung fortschrittlicher Technologien. Um signifikante Verbesserungen der Energieeffizienz zu erzielen, reicht die bloße Optimierung bestehender Technologien möglicherweise nicht aus. Deshalb sind revolutionärere Fortschritte in der Flugzeugzellen- und Antriebstechnologie erforderlich, um die vorgeschriebenen Empfehlungen für zukünftige Flugzeuge zu erfüllen. Darüber hinaus wird die Implementierung dieser fortschrittlichen Technologien die Entwicklung innovativer Flugzeugentwürfe erfordern, die ihr Potenzial vollständig ausschöpfen und dadurch die Gesamtenergieeffizienz maximieren werden.
Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung und Verbesserung von Medium-Fidelity Programmen um die Auswirkungen fortschrittlicher Technologien wie Grenzschichtabsaugung, Lastenreduktion, hochentwickelte Materialien und unkonventionelle Flugzeugentwürfe zu bewerten. Zusätzlich zur herkömmlichen Tragfläche mit positiver Pfeilung und Kerosinantrieb wird insbesondere auch die Konfiguration mit negativer Pfeilung und die mit elektrischem Antrieb untersucht. Ein Schwerpunkt liegt hier auf der Grenzschichtabsaugung. Dies ermöglicht die Berücksichtigung des Übergangs zur turbulenten Strömung aufgrund verschiedener Instabilitäten, wie Tollmien-Schlichting-Wellen, Querströmung-und Anströmkanteninstabilität. Diese Werkzeuge werden in einem Framework gekoppelt, das durch verschiedene Blöcke gekennzeichnet ist und für die aerostrukturelle Optimierung zur Bestimmung der Flugzeugleistung ausgelegt ist. Das Framework kann auf die Analyse und Dimensionierung von Flugzeugen unterschiedlicher Klassen, von Regional- bis Mittelstreckenanwendungen, angewendet werden. Eine Langstreckenanwendung ist für eine begrenzte Mach-Zahl möglich. Daher kann die aerostrukturelle Analyse unter Verwendung von aktiver Strömungsbeeinflussung vom Unterschall- bis zum schallnahen Bereich durchgeführt werden. Ein spezielles Framework kann implementiert werden, um die aeroelastische Verformung der Tragflächen zu berücksichtigen, es weist jedoch einige Einschränkungen in Bezug auf die Behandlung der hybriden Laminarströmungskontrolle auf. Verschiedene Testfälle werden gezeigt, um die Fähigkeiten der Werkzeuge und folglich des Optimierungsframeworks zu beweisen. Diese sind die Kurz- und Mittelstreckenflugzeuge, die innerhalb des Exzellenzclusters „Sustainable and Energy Efficient Aviation“ (SE2A) entwickelt wurden. Darüber hinaus zeigt die Arbeit einige Strategien zur Verfeinerung der Low-Fidelity-Analyse für aktive Strömungsbeeinflussung in der frühen Entwurfsphase. Die untersuchten Testfälle zeigen nicht nur die potenziellen Vorteile der Technologie und wie diese numerisch bewertet werden können, sondern auch, wie empfindlich die Parameter, wie Entwurfsvariablen oder die verwendete Technologiestufe, die Endleistung beeinflussen.
Schließlich wird eine Multi-Fidelity-Strategie implementiert, die den gesamten Flugbereich umfasst, um die Genauigkeit von Medium- und Low-Fidelity-Methoden für die Vorentwurfs- und Missionsanalyse, einschließlich einiger aerodynamischer High-Fidelity-Analysen für niedrige Geschwindigkeitssegmente, zu verbinden. Die Untersuchungen zeigen die wesentliche Rolle des Medium-Fidelity-Ansatzes - Insbesondere genau genug zu sein, um Reichweite, Kosten und Emissionen bei Aufkommen komplexer Phänomene, die durch die erwähnten fortschrittlichen Technologien charakterisiert sind, zu bewerten.