Flugzeugdesign (Teil 1): Pionierarbeit in der Luft- und Raumfahrttechnik

Zu den anspruchsvollsten Ingenieurstudiengängen weltweit zählen Luft- und Raumfahrttechnik. Jeder Ingenieur kennt die üblichen Designzyklen bei Produktdesign – doch die in der Luftfahrt erforderliche Komplexität macht es so herausfordernd.

Modernes Flugzeugdesign steht vor strengen operativen, ökologischen, finanziellen Herausforderungen. Massiver Paradigmenwechsel bei Design komplexer Systeme und Vermeidung von Designfehlern wie beim Boeing 737 Max. Dieser Artikel diskutiert modernen Flugzeugdesignzyklus und Stellen, wo Prototypenhersteller für skalierte Tests den Tag retten.

Mehr Details zu Industrial Design Prototyping hier.

Designzyklus eines modernen Flugzeugs

Jeder Designer kennt drei Grundphasen: Konzeptionell, Vorläufig, Detailliert. Doch harter Wettbewerb mit hohen Kundenerwartungen: Unternehmen müssen in Designphasen bemerkenswert innovieren für diverse Kriterien. Designzyklus basierend auf Lebenszykluskosten mit Diagramm:

Erste drei Phasen vor Fertigung = 95 % Gesamtkosten. Wichtigste: Phase 1 – Planung und Konzeptionelles Design. Fokus darauf, dann andere Phasen.

Planung und konzeptionelles Design

Erster Schritt: Machbarkeitsstudie – kann Anforderung mit bestehender Technologie erfüllt werden? Optimiert Projektpfad: Komplett-Neuentwicklung (höchstes Risiko/Kosten) oder Adaption/Modifikation bestehenden Designs. Darauf folgt konzeptionelle Designphase. Flugzeugdesigner kennen Raymer- und Roskam-Modelle – konzeptionelle Phase beantwortet Grundfragen:

• Funktioniert es?
• Wie sieht es aus?
• Was sind die Anforderungen?
• Wie Trade-offs optimieren?
• Wie Gewicht und Kosten optimieren?

Ziel konzeptioneller Designphase: machbares, optimales Designkonzept für Weiterentwicklung identifizieren und vorbereiten. Phase umfasst: Entwerfen, Studieren, Prüfen verschiedener Designkonzepte – mit minimalem Wissen über Versuchsergebnisse und begrenzten Daten zur Designpraktikabilität. Grafik zeigt: größere Unsicherheitsbreite in konzeptionellen Phasen vs. fortgeschrittenen Phasen. Dazu: 65 % Lebenszykluskosten in dieser Phase – spätere Grunddesignänderung = Umsatzreduktion, Terminverlängerung.

Häufiges Dilemma: Designprogrammstart ohne klar definierte Anforderungssatz. Marktanforderungen skizzieren, Kunden Erwartungen explizit machen – entscheidend. Spätere Anforderungsverfeinerung = unwirtschaftlich, ineffizient – schwere Auswirkungen auf Lebenszykluskosten. Bei Flugzeugdesign: vielfältige, oft konfligierende Anforderungen/Erwartungen. Diverses, komplexes Flugzeugsystem basierend auf Teilen (Flügel, Motor, Rumpf, Fahrwerk, Leitwerk, Canard) = multiple Herausforderungen.

Damit umzugehen ist eigene Kunst – Entscheidungen durch Techniken wie Multiple Attribute Decision Making (MADM). Implizite Überlegungen einbeziehen, Entscheidungsfindung: von einzeln-deterministisch zu dynamisch-parametrisch. Auch: Multidisciplinary Analysis and Design Optimization vital für verworrene Constraints. Diagramm zeigt Interaktionen zwischen luftfahrttechnischen Disziplinen.

Zur Unsicherheit in konzeptioneller Phase: Etablierte Methoden basieren auf probabilistischen Theorien und Designmethoden. Nutzung von Probability Density Functions (PDFs) und Cumulative Distribution Functions (CDFs) für jeden Design-Constraint. Daten mehrerer Constraints kollektiv plotten/analysieren. Kumulative Daten geben Designer klaren Einblick in Designraum – ob Constraints gelockert oder Technologien eingeführt werden für gesamt besseren Designzyklus.

Kurz: Designer erstellt Relation zwischen Input- und Output-Variablen unter Berücksichtigung Input-Variabilität.

Vorläufiges Design

Diese Phase dimensioniert Designfaktoren für in Phase 1 finalisiertes Konzept monumentalkritisch. Erfordert tiefgehende Studie/Analyse interdisziplinärer Interaktionen zwischen Systemen/Teilsystemen. Beispiel: Aeroelastizität = Strukturmechanik + Aerodynamik.

Modernes Engineering: Vorläufiges Design umfasst Zuverlässigkeit, Wartbarkeit, Stabilität, Kontrolle, Sicherheit, Ökonomie. Herausforderungen dieser Phase und optimale Bewältigung:

Sophistizierte, komplexe, präzise Modellierung erfordert fortgeschrittene numerische Algorithmen – z. B. Computational Fluid Dynamics (CFD), Finite Element Analysis (FEA). Aber: extrem hohe Rechenkosten = weitere Herausforderung. Diagramm zeigt Trade-off: High-Fidelity-Tools vs. einfache Simulationen.

Hin zu komplexen High-Fidelity-Tools: nicht nur höhere Rechenkosten, auch Herausforderung: hunderte Variablen, Interdependenzen. Signifikante Zeit für Identifikation/Mapping Simulationsumgebung. (Geschichte nicht zu Ende!!!)

Bei weiterem Interesse: Aircraft Design (Part 2): Expanding Horizons lesen. Danke.