Der Druck aus Gesellschaft und Politik auf den Luftverkehr zur Entwicklung, dem Bau sowie dem Betrieb energieeffizienter und lärmarmer Flugzeuge wächst. Für Konzepte künftiger Flugzeuge werden verstärkt T-Leitwerke vorgesehen, welche hinsichtlich dynamischer aeroelastischer Stabilität im Rahmen der Flugzeugzulassung einer besonderen Aufmerksamkeit bedürfen. Eine numerische Erforschung der Flatterschwingungen dient dem eingehenden Verständnis der relevanten physikalischen Effekte für die sichere Vorhersage der kritischen Flugbereiche.
Numerische Studien zur dynamischen Aeroelastik von T-Leitwerken
DLR-Flugzeugkonzept mit Fokus auf Reduzierung von Treibhausgas- und Lärmemissionen
DLR-Flugzeugkonzept: elektrisches Regionalflugzeug mit verteilten Antrieben
Für die Reduzierung von Emissionen hin zu einem grünen und gesellschaftlich verträglichen Luftverkehr kommen für Konzeptentwürfe künftiger Flugzeuggenerationen zunehmend Strahltriebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis, Turboprop-Triebwerke oder verteilte (hybrid-) elektrische Antriebskonzepte zum Einsatz. Die gewöhnliche Konfiguration von Reiseflugzeugen mit tief am Rumpf angebrachtem Flügel, wie z.B. die A320, bietet unter dem Flügel nicht mehr ausreichend Platz zum sicheren Betrieb von Turbinen mit solch großen Durchmessern. Alternativ werden daher Konfigurationen mit hoch am Rumpf montierten Flügeln oder am Rumpfheck angebrachten Triebwerken in Betracht gezogen. Aus Gründen einer besseren Steuerbarkeit und flugmechanischen Stabilität, also auch Aspekten der Triebwerksintegration am Rumpfheck, nutzen diese Konfigurationen gewöhnlicherweise ein Leitwerk, bei welchem das Höhenleitwerk oben auf dem Seitenleitwerk angebracht ist. Wegen des so gebildeten „T“ wird eine solche Konstruktion auch T-Leitwerk genannt.
Vom Flattern und Grenzzyklusschwingungen
Die Interaktion der aerodynamischen Luftkräfte im Flug mit der Masse und Steifigkeit der Flugzeugstruktur kann in ungünstigen Fällen zu Schwingungen der Struktur führen, welche mit der Zeit aufklingen und in Kürze zu schweren Beschädigungen der Struktur bis hin zum Verlust des Flugzeugs führen können. Solch eine dynamische aeroelastische Instabilität wird Flattern genannt und tritt bereits bei kleinsten Störungen ab einer kritischen Fluggeschwindigkeit, der Flattergeschwindigkeit, auf. Im Rahmen der Flugzeugzulassung muss durch Flugversuche und Analysen nachgewiesen werden, dass diese Flattergeschwindigkeit für alle möglichen Betriebszustände mindestens 15% größer als die maximal fliegbare Fluggeschwindigkeit ist und damit das Auftreten von Flattern sicher ausgeschlossen werden kann. Die Flattergeschwindigkeit kann jedoch durchaus davon abhängig sein, wie stark die Struktur z.B. durch eine Böe deformiert wird. Ein bekanntes Phänomen sind hierbei Grenzzyklusschwingungen (engl. Limit Cycle Oscillations, LCOs), bei welchen die Schwingungsbewegungen nach einer Anregung zunächst aufklingen, letztendlich aber aufgrund von strukturellen und/oder aerodynamischen Nichtlinearitäten nur eine begrenzte Amplitude erreichen [1, 2]. Derartige Phänomene können prinzipiell sogar bereits unterhalb der Flattergeschwindigkeit auftreten. Für genaue Flatteranalysen ist es daher notwendig, eine umfassende Kenntnis über die möglichen Flattermechanismen des Flugzeugs sowie über vorhandene Nichtlinearitäten und damit über das Verhalten dieser Mechanismen auch bei größeren Verformungen zu haben.
Strukturelle Linearität führt zu aerodynamischer Nichtlinearität
Um einen ersten Einblick in den Einfluss einer nichtlinearen und damit genaueren Beschreibung der Strukturdeformation auf amplitudenabhängige Luftkräfte zu erhalten ist es sinnvoll, zunächst ein generisches Höhenleitwerk isoliert zu betrachten. In einem CFD-Verfahren wird das Höhenleitwerk harmonisch bei verschiedenen Frequenzen und Deformationsamplituden in einer für T-Leitwerke typischen Bewegung angeregt [3]. Die Deformation erfolgt dabei geometrisch linear sowie nichtlinear. Die auf die Verformung normierten Luftkräfte zeigen in der Darstellung über der normierten Verformung zunächst bei linearer Deformation eine deutlich nichtlineare Charakteristik, was durch die Abweichung der Hysteresen von einer reinen Ellipse deutlich wird. Bei Verwendung einer geometrisch nichtlinearen Deformation reduziert sich die aerodynamische Nichtlinearität jedoch wesentlich. Nur mit der nichtlinearen Beschreibung der Strukturdeformation wird folglich eine künstliche Nichtlinearität in der Aerodynamik vermieden. Dies betont die Notwendigkeit einer solchen Deformationsbeschreibung sowohl für die numerische Untersuchung von physikalischen Effekten beim T-Leitwerksflattern, als auch für die genaue Vorhersage kritischer Flugbereiche. Hiermit wird ein Beitrag zur Auslegung der neuen Flugzeuggeneration für den Green Deal am Institut für Aeroelastik geleistet.
Deformationen am T-Leitwerk
Normierte Luftkraftantwort auf harmonische Anregung mit linearer und nichtlinearer Deformation bei zwei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen
