Unter dem Begriff "Multiphysics" wird die Untersuchung von Systemen in Hinblick auf interagierende interdisziplinär-physikalische Effekte verstanden. Hierbei liegt eine besondere Herausforderung in der Kopplung der z.T. aufwändigen Berechnungsverfahren der beteiligten Fachdisziplinen. Als Beispiel ist die Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) zu nennen, welche die Gebiete der Strömungs- und Strukturmechanik verbindet. Ein weiteres multiphysikalisches Problem ist die Aero-Thermo-Struktur-Kopplung, welche zusätzlich den Einfluss großer Temperaturschwankungen auf das System berücksichtigt.
Förderung: DFG (Exzellenzcluster)
Laufzeit: 2023-2025
Team: Daniel Hahn, Matthias Haupt, S. Heimbs
Eine wirksame Lastreduzierung ermöglicht eine erhebliche Massenreduktion der Primärstrukturen von Flugzeugflügeln und - direkt sowie durch Sekundäreffekte - auch eine Verringerung der Gesamtmasse des Flugzeugs. Dies führt zu einer Abnahme des Energieverbrauchs und der Emissionen. Frühere Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass sowohl aktive als auch passive Konzepte bei der Verringerung der dynamischen Lasten über den gesamten Flugbereich und für alle relevanten Lastfälle an ihre Grenzen stoßen. Dieses kollaborative Projekt soll die Machbarkeit von hybriden Lastminderungskonzepten nachweisen, die eine intelligente Strukturauslegung unter Ausnutzung struktureller und geometrischer Nichtlinearitäten mit unkonventionellen Aktuierungsmethoden wie fluidischer Aktoren und Steuerflächen, die im 'Umkehrmodus' betrieben werden, kombinieren.
Zunächst werden Referenz-Use-Cases und Anforderungen für die Kombination der einzelnen Lastminderungskonzepte und -methoden definiert. Danach erfolgt hier die Anwendung des passiven Lastminderungskonzepts realisiert durch nichtlineare Strukturen auf die Use-Cases. Parameterstudien sollen das grundlegenede Verständnis für die kombinierten Konzepte vorbereiten. Hybride Konzeptkombinationen mit den Projektpartnern entwickelt, die vielversprechendsten ausgewählt und für Mittel- und Langstreckenflugzeugkonfigurationen über den gesamten Flugbereich optimiert. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein umfassender Vergleich verschiedener hybrider Konzepte zur Lastreduzierung durchgeführt. Langfristiges Ziel ist es, zunächst das Lastreduzierungspotenzial und im weiteren die Integration und Kompatibilität mit anderen Systemen sowie die klimarelevanten Auswirkungen auf das gesamte Flugzeug zu bewertet. Dieses Projekt wird neuartige Ansätze zur Erreichung einer signifikanten Lastreduzierung aufzeigen, die auf die Realisierung eines 1-g-Flügels abzielen. Darüber hinaus wird es wichtige Erkenntnisse für die Flugregelung, den Flugzeuggesamtentwurf und die skalierten Flugdemonstratoren innerhalb des SE2A-Clusters liefern.
Förderung: DFG (Exzellenzcluster)
Laufzeit: 2023-2025
Team: Lasse Kreuzeberg, Matthias Haupt, S. Heimbs
Mit diesem Projekt soll der aktuelle technologische weiße Fleck, wie die notwendige Ableitung der Abwärme des Brennstoffzellensystems über die aerodynamischen Oberflächen insbesondere bei unkonventionellen Flugzeugkonfigurationen wie der BWB-Konfiguration erfolgen kann, erforscht werden. Ziel ist nicht nur die Entwicklung möglicher technologischer Lösungen sondern auch die Entwicklung von zukunftsträchtigen methodischen Vorgehensweise für Modellierung, Analyse und Optimierung.
Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit dem Partnerprojekt "B4.1: Consistent Multilevel Model Coupling and Knowledge Representation in Multidisciplinary Analysis and Design", das sich mit dem allgemeinen methodischen Ansatz zur Etablierung einer kollaborativen Entwurfsumgebung befasst, der hier auch mit entwickelt und angewendet werden soll.
Für die konkrete Anwendung werden Konzepte zum Thermalmanagement entwickelt und die bisher unbekannten Sensitivitäten, die sich aus der Kopplung des Abwärmetransports von der Brennstoffzelle über eine Kühlflüssigkeit und die Wärmeleitung durch die Oberflächenstruktur zur aerodynamischen Oberfläche und von dort zur aerodynamischen Umströmung ergeben, analysiert und erforscht. Fokus der Arbeiten hier besteht im thermisch-mechanischen Strukturentwurf potentieller Oberflächenpanele unter Einbeziehung von Integritäts- und Adaptivitätsaspekten.
Neben der präzisen Modellierung der beteiligten Einzeldisziplinen und deren konsequenter Drei-Felder-Kopplung wird eine integrale Betrachtung des Gesamtsystems mit Hilfe fortschrittlicher Multifidelity-Ansätze mit den Partnern innerhalb der Teilprojekte B4.1 und B4.2 durchgeführt. Dies ermöglicht die Optimierung mit Fokus auf die Wechselwirkungen der Oberfläche mit dem äußeren Strömungsfeld, die gewichtssparende Gestaltung der inneren Struktur mit integrierten Kühlkanälen.
Mit der kollaborativen, multidisziplinären Analysefähigkeit unter Einbeziehung der einzelnen Disziplinen sollen die Designräume erkundet, charakterisiert, erforscht und ausgeschöpft werden.
Förderung: BMWK (Luftfahrtförderungsprogramm 6.2)
Laufzeit: 2024-2025
Team: Daniel Hahn, Matthias Haupt, S. Heimbs
Im Verbundprojekt "SKAiB: Skalierbare Brennstoffzellensysteme für elektrische Antriebe" wird an Brennstoffzellen für zukünftige Verkehrsflugzeuge gearbeitet. Das IFL ist dabei für die Untersuchung und Bereitstellung von Modellen für widerstandsarme Wärmetauscher in der Außenhaut beteiligt. Die Abwärme der Brennstoffzellen wird über das Thermalmanagementsystem per Kühlflüssigkeit zur Abgabe an die Außenluft geliefert. Lässt sich diese Abwärme über in die Haut integrierte Wärmetauscher abgeben, so können konventionelle, widerstandsbehaftete, Lamellenwärmetauscher eingespart werden. Zudem kann eine erwärmte Grenzschicht den Reibungswiderstand einer turbulenten Strömung verringern. Das IFL entwickelt für die Panels solcher Hautwärmetauscher Modelle verschiedener Genauigkeit. Zum einen werden hochauflösende Simulationen des gekoppelten Strömungs- und Strukturverhaltens in verschieden dimensionierten Kühlkanälen erstellt. Zum anderen werden schnelle Ersatzmodelle erstellt, die im Rahmen des Gesamtentwurfs verwendet werden können.
Förderung: BMWK (Luftfahrtförderungsprogramm 6.3)
Laufzeit: 2024-2026
Team: Henning Dahmen, Matthias Haupt, S. Heimbs
Gegenstand des HYCEF-Vorhabens der TU-Braunschweig ist die Integration der Bewertung von Crash-Szenarien in den Vorentwurf zukünftiger, umweltfreundlicher bzw. ressourcenschonender Verkehrsflugzeuge. Um das Ziel einer klimaneutralen Luftfahrt zu erreichen, müssen zukünftige Verkehrsflugzeuge mit neuen Antriebstechnologien ausgerüstet sein.
Für große Verkehrsflugzeuge ist die Nutzung von LH2 als Treibstoff in einer klassischen Drachenkonfiguration eine Möglichkeit der Umsetzung dieses Ziels. Neben den klassischen Verkehrsflugzeugen spielt jedoch auch die Entwicklung nicht-klassischer Konfigurationen, wie vollelektrischer eVTOL Konfigurationen, eine immer größere Rolle. Für beide Ansätze existiert keine Erfahrung hinsichtlich der Crash-Sicherheit der Luftfahrzeuge, deren Nachweis allerdings zulassungsrelevant ist. Aktuell wird das Thema der Crash-Sicherheit erst in späten Phasen der Flugzeugentwicklung betrachtet, was zu aufwändigen Redesigns der Entwürfe führen kann. Speziell für die beschriebenen, zukünftigen Entwicklungen ist dieses Vorgehen aufgrund mangelnder Erfahrungswerte sehr problematisch. Daher werden im HYCEF-Vorhaben hybride daten- und physikbasierte Methoden entwickelt, die eine schnelle Vorhersage der Einflüsse von Designentscheidungen im Vorentwurfsumfeld erlauben. Da der Parameterraum hier noch groß ist, die Parameter häufigen Änderungen unterworfen sind und der Detailgrad des Entwurfs gering ist, ist Schnelligkeit, Automatisierbarkeit und Robustheit von zentraler Bedeutung für die Nutzbarkeit der Methoden. Zusammen mit dem Verbundpartner TUHH im HYFLIP-Verbundvorhaben sollen Methoden für die Abschätzung von Crash- und Notwasserungsszenarien zukünftiger, klimaneutraler Flugzeuge entwickelt werden, wodurch diese zulassungsrelevanten Themen bereits in frühe Entwicklungsphasen berücksichtigt werden können.
Projektpartner: TU Hamburg Institute for Fluid Dynamics and Ship Theory
Förderung: DFG (SFB/TRR)
Laufzeit: 2023-2027
Förderung: BMWK (Luftfahrtförderungsprogramm 6.3)
Laufzeit: 2024-2027
Team: Tristan Brack, Matthias Haupt, S. Heimbs
Förderung: BMWK (Luftfahrtförderungsprogramm 6.3)
Laufzeit: 2024-2027
Team: Lea Schmitt, Matthias Haupt, S. Heimbs
Förderung: BMWK (Luftfahrtförderungsprogramm 6.3)
Laufzeit: 2023-2026
Team: Samarth Kakkar, Matthias Haupt, S. Heimbs, R. Radespiel
Institut für Flugzeugbau und Leichtbau
Hermann-Blenk-Straße 35
D-38108 Braunschweig
E-Mail: ifl@tu-braunschweig.de
Telefon: +49 531 391 9903