Fortschrittliches Flugzeugdesign: Teil 2 – Horizonte erweitern durch effizientes Modeling

Veröffentlicht: 25. Dez. 2020 | Von WayKen Rapid Manufacturing

Moderne Engineering-Entscheider halten übermäßige Rechenleistung in dieser Phase für nutzlos und zeitraubend. Techniken mit Approximationen sind effizienter und reduzieren Zeit für parametrisches Modeling. Dazu gehört Reduced Order Modeling – reduziert mathematische Komplexität des Systems, behält aber Physik der partiellen Differentialgleichungen bei.

Nach Initialanalyse: iteratives Verfahren, bei dem Ergebnisse Designänderungen für Optimierung diktieren. Dieses Verfahren verbindet Konzeptions- und Vorentwurfsphase. Details siehe Industrial Design Prototyping.

Zusammengefasste Form des berühmten Howe-Modells für Project Synthesis Process:

• Erweiterung der Machbarkeitsstudie mit mehr Detail und Komplexität.
• Erste Phase: Auswahl einer oder mehrerer Konfigurationen.
• Zweite Phase: Flugregime und Antriebsauswahl. Für gegebene Betriebsbedingungen (z. B. Mach-Zahl) Antriebstyp-Vorauswahl: Turboprop, Kolbenprop, Turbofan, Low-Bypass-Turbofan, Turbojet, Ramjet u. a.
• Nächste Phase: Rumpflayout-Auswahl. Nutzlastdetails oft treibender Faktor. Guter Startpunkt für erste Flugzeugmasse-Prognose.
• Flügelkonfiguration: Komplexes Verfahren für Aerodynamiklabor – viele Parameter. Fundamentale Phase im Vorentwurf. Führt zu erster Schätzung von Auftrieb, Widerstand, Flugzeugmasse – hilft bei Flächenbelastungsschätzung nach weiterführender Analyse. Flächenbelastungsschätzung basiert auf theoretischen Gleichungen, abgestimmt auf empirische Daten für verschiedene Flugbedingungen. Ermöglicht grobe Schätzung Schub-Gewichts-Verhältnis.
• Parametrische Analyse-Phasen: Erste Phase kombiniert Flügel- und Rumpfdimensionen → Ergebnissatz für jede Flugphase → Designraum. Geeignete Flächenbelastung und Schub-Gewichts-Verhältnisse für zweite parametrische Analyse ausgewählt.
• Zweite parametrische Analyse: Gewählte Datensätze → Gesamtmasse berechnen. Satz mit optimalem Massenwert → Referenzdesign für tiefgehende Analyse und Evaluation.
• Referenzdesign-Evaluation liefert:
  • Geschätzte Größen für Steuerflächen
  • Unterstützung Fahrwerklayout
  • Bessere Auftriebs-, Widerstands-, Masseschätzungen
  • Revidierte Leistungsberechnungen per abgestimmten Inputdaten und komplexen Schätzmethoden
  • Wiederholung bis Massenkonvergenzkriterien erfüllt
• Am Designphasenende: Sensitivitätsdesignstudien – kritische Designbereiche identifizieren per grafischer/mathematischer Techniken. Parallel: Design hydraulischer, elektrischer, Brandschutz-, Enteisungs-, pneumatischer Systeme.

Nächste Phase: Detailliertes Design – hier passiert die "Magie": Design vollständig definiert, Skalierte Testmodelle beim Prototypenhersteller bestellt, finale Zeichnungen basierend auf Design for Assembly (DFA) und Design for Manufacturing (DFM) mit tatsächlichen Topologien, Geometrien, Dimensionen, Toleranzen, Materialspezifikationen. Dies im nächsten Abschnitt detaillierter.

Detailliertes Design

Fokus: Verifikation der in früheren Phasen skizzierten Designverfahren. Umfassendste Phase des gesamten Designprozesses. Fokus auf finales Design, Prototyping, Test jedes Teils. Basierend auf Vorentwurfsdaten: Einsatz von CAD- und CAM-Paketen zur Designunterstützung.

Drei Faktoren: Leistung, Fertigungskosten, Zeitbedarf, operative Effizienz. Für umfassendes Ergebnis: zwei Testverfahren – Bodentests und Flugtests. Details:

• Bodentests: Windkanaltests zur CFD-Validierung, Strukturtests, Avionik-Evaluation, Systemchecks. Hier rettet Prototyping den Tag. Skalierte Teile für Initialtests = Kosten- und Zeiteinsparung. Guter Prototyping-Dienstleister nutzt Expertise für Struktur aus geforderten Materialspezifikationen. Prototyp analysiert Festigkeit, Steifigkeit, Flattern, elastische Stabilität, Systemparameter. Statische/dynamische Belastung, Schwingungsmodalanalyse, Flatternanalyse – Schlüsseltests. Für skalierte Flugzeugteile: Stereolithografie-3D-Druck liefert nötige Genauigkeit für umfassende Evaluation zwischen Design und Experiment.
• Flugtests: Zertifizierungsstellen verifizieren Leistung und Flugeigenschaften des tatsächlichen Flugzeugs. "Airworthiness Authorities". Bewertung basierend auf voreingestellten Design- und Sicherheitsanforderungen per Federal Aviation Regulations Airworthiness Standards. Tabelle fasst alle Lufttüchtigkeitsstandards und Nutzung zusammen.

Hervorzuhebende Standards: FAR Part 23 – Normal-, Nutz-, Kunstflugzeuge mit MTOW < 12.500 lbs, ≤ 9 Passagiere. Auch: Commuter-Flugzeuge MTOW ≤ 19.000 lbs, ≤ 19 Passagiere.

Kommerzielle Transportflugzeuge (Airbus A320, Boeing 737): FAR Part 25. Teil 25: Subparts A–F für diverse Systeme/Teilsysteme.

Drehflügler (Hubschrauber): FAR Part 27 (Normal) und 29 (Transport). Nach Lufttüchtigkeitszertifizierung: Designzyklus praktisch beendet – 95 % Lebenszykluskosten bis hier. Es folgt Großserienfertigung.

Abschluss des Flugzeugdesignprozesses

Diese detaillierte Designzyklus-Review mag sehr komplex wirken. Doch mit schrittweisem Ansatz, reifen Entscheidungen durch kritisches Denken, weiser Entscheidungsfindung: Flugzeugdesignzyklus ist machbar. Modernes Zeitalter mit hohen Einsätzen (Kosten, Zeit): Prototyping-Einsatz ist vital wo/when nötig – Flugzeugdesignerfolg hängt von umfassender Designvalidierung ab. Wichtig: Richtigen Prototypenhersteller im Aviation-Bereich wählen – Prototypengenauigkeit entscheidend. Abkürzungen in irgendeiner Designphase sind später destruktiv – wie beim Boeing 737 Max.