400 Flugmanöver mit dem ISTAR bringen den Digitalen Zwilling nach vorne
17. Mai 2023 | Forschungsflugzeug erstmals im Einsatz für die Wissenschaft
400 Flugmanöver mit dem ISTAR bringen den Digitalen Zwilling nach vorne
Forschungsflugzeug ISTAR am Flughafen Braunschweig
Der ISTAR (In-Flight Systems and Technologies Airborne Research) wird in mehreren Stufen ausgebaut. Als fliegender Simulator bringt er die Digitalisierung der Luftfahrt voran. Das Forschungsflugzeug ist bei den DLR-Flugexperimenten am Standort Braunschweig stationiert und reiht sich dort in die größte zivile Forschungsflotte Europas ein.
Über die Punkte lassen sich Verformungen der Tragfläche bestimmen
Die linke Tragfläche des Forschungsflugzeugs ISTAR (In-Flight Systems and Technologies Airborne Research) ist mit einer gepunkteten Folie beklebt. Wenn sich die Tragflächen während des Fluges biegen, erfassen die Kameras die Lageänderung der Punkte. So wird die lokale Verformung des Tragflügels bestimmt.
Die Testpiloten fiegen mit dem ISTAR (In-Flight Systems and Technologies Airborne Research) exakt festgelegte Manöver. Rechner in der Kabine speichern alle Messwerte. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vergleichen den Datenschatz aus dem Forschungsflugzeug später mit Ergebnissen der numerischen Simulation.
Sensoren am ISTAR (In-Flight Systems and Technologies Airborne Research) messen Strömungsfelder und Flügellasten bis an die Grenzen des Fliegbaren.
Flugkampagne ist im Februar 2023 von Braunschweig aus gestartet.
Die Daten ergänzen und verbessern den Digitalen Zwilling des ISTAR bis zum virtuellen Flugversuch.
Schwerpunkte: Luftfahrt, Digitalisierung
Das Forschungsflugzeug ISTAR ist in den wissenschaftlichen Betrieb gestartet. Bei den Flügen des ISTAR (In-Flight Systems and Technologies Airborne Research) stehen die flugmechanischen und flugdynamischen Eigenschaften der umgebauten Dassault Falcon 2000LX im Mittelpunkt. Neuartige Sensoren messen, wie sich das Flugzeug bei speziellen Flugmanövern verhält. Mit den Ergebnissen entwickelt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) den Digitalen Zwilling des ISTAR weiter und trägt dazu bei, Flugzeuge energieeffizienter auszulegen. Der Digitale Zwilling wird das exakte virtuelle Abbild des Luftfahrzeugs im Rechner.
Die Flugmanöver und Bodenversuche bringen Daten aus neuartigen Messtechniken mit modernsten Simulationswerkzeugen zusammen. „Mit dem Digitalen Zwilling sollen später virtuelle Flugversuche möglich sein“, erklärt Projektleiter Dr. Heiko von Geyr vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Braunschweig. Der ISTAR soll dabei nicht nur realitätsgetreu in einem Flugsimulator erprobt werden können. Ziel des Projekts HighFly (High Speed Inflight Validation) ist es, mehrere Prozesse zu kombinieren: „Das ermöglicht uns, die Strukturdeformation, die Strömung und die Beschleunigungen an jedem Punkt des ISTAR zu jedem Zeitpunkt vorherzusagen“, erklärt Heiko von Geyr. Bis die Forschenden das Flugzeugverhalten realitätsgetreu im Rechner abbilden können, müssen sie die Rechenmodelle mit Messergebnissen abgleichen und weiterentwickeln. „Erst dann können wir sagen, dass sich ein Luftfahrzeug am Rechner genauso verhält wie in der Realität.“
Der ISTAR hebt seit Ende Februar 2023 vom Flughafen am DLR-Standort Braunschweig zu Messflügen ab. Das Flugzeug wurde in der Vergangenheit für wissenschaftliche Zwecke umgebaut und für das Projekt vorbereitet. Fast 400 Manöver wurden bis jetzt bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten, Höhen und Dynamiken in einem reservierten Luftraum in Mecklenburg-Vorpommern geflogen. Mit einem Digitalen Zwilling können die Forschenden in Zukunft neue Flugzeugentwürfe schon zu einem relativ frühen Zeitpunkt im Rechner testen und beurteilen, ob sich Veränderungen auf die Flugzeugeigenschaften und das Flugverhalten auswirken. Neben den virtuellen Flugversuchen haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler langfristig auch die simulationsbasierte Zulassung im Blick. Diese könnte zeit- und kostenintensive Zulassungsverfahren in der Luftfahrt beschleunigen.
Die Darstellung rechts oben zeigt die Bewegung des ISTAR und die Verteilung des Luftdrucks auf der Oberfläche als Folge eines Querruder-Manövers. Rechts unten sind detailliert die Auswirkungen bei Bewegung des Querruders zu sehen. Der Querruder-Ausschlag über der Zeit an sich ist links oben dargestellt. Die Darstellung links unten zeigt die Veränderung bei der Auftriebsverteilung über beide Tragflächen des Forschungsflugzeugs. Die Unterschiede zwischen geradem Flug (schwarze Linie) und Manöver (rote Linie) werden dabei besonders deutlich. Alle Daten fließen in die Entwicklung des Digitalen Zwillings ein.
Video: Zusammenhang von Luftdruck und Auftrieb bei einem Flugmanöver
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Video: Zusammenhang von Luftdruck und Auftrieb bei einem Flugmanöver
Die Darstellung rechts oben zeigt die Bewegung des ISTAR und die Verteilung des Luftdrucks auf der Oberfläche als Folge eines Querruder-Manövers. Rechts unten sind detailliert die Auswirkungen bei Bewegung des Querruders zu sehen. Der Querruder-Ausschlag über der Zeit an sich ist links oben dargestellt. Die Darstellung links unten zeigt die Veränderung bei der Auftriebsverteilung über beide Tragflächen des Forschungsflugzeugs. Die Unterschiede zwischen geradem Flug (schwarze Linie) und Manöver (rote Linie) werden dabei besonders deutlich. Alle Daten fließen in die Entwicklung des Digitalen Zwillings ein.
Projekt HighFly untersucht Veränderungen bei Flugmanövern
Um messen zu können, wie sich die Strömung an den Tragflächen bei verschiedenen Flugmanövern verändert und wie stark sich die Tragflächen im Flug verformen, haben die Forschenden die linke Tragfläche mit einer gepunkteten Folie beklebt. Aus der Nähe haben die Punkte teils eine runde, teils eine langgezogene Form. Für Kameras, die vom Innern des Flugzeugrumpfs in einem bestimmten Winkel auf die Tragfläche gerichtet sind, erscheinen alle Punkte gleich. Wenn sich die Tragflächen während des Fluges biegen, erfassen die Kameras die Lageänderung der Punkte. So wird die lokale Verformung des Tragflügels bestimmt.
Um messen zu können, wie sich die Strömung an den Tragflächen bei verschiedenen Flugmanövern verändert und wie stark sich die Tragflächen im Flug verformen, haben die Forschenden die linke Tragfläche des ISTAR mit einer gepunkteten Folie beklebt. Kameras beobachten die Veränderungen. Das Video zeigt die Kamerasicht aus dem Innern des Flugzeugs. Die Forschungsflüge finden im Rahmen des Projekts HighFly statt.
Verformung der ISTAR-Tragfläche, aufgenommen von der Innenkamera
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Verformung der ISTAR-Tragfläche, aufgenommen von der Innenkamera
Um messen zu können, wie sich die Strömung an den Tragflächen bei verschiedenen Flugmanövern verändert und wie stark sich die Tragflächen im Flug verformen, haben die Forschenden die linke Tragfläche des ISTAR mit einer gepunkteten Folie beklebt. Kameras beobachten die Veränderungen. Das Video zeigt die Kamerasicht aus dem Innern des Flugzeugs. Die Forschungsflüge finden im Rahmen des Projekts HighFly statt.
Auf und unter dem rechten Tragflügel sind Sensoren verteilt. Diese MEMS-Sensoren (Micro Electro Mechanical System) messen die Druck- und Temperaturverteilung mit hoher Genauigkeit und hoher Frequenz während der Flugversuche. „Das MEMS-System ist eine vollständige Neuentwicklung im Rahmen des Projektes und wird hier erstmals im transsonischen Geschwindigkeitsbereich unter realen Flugbedingungen eingesetzt“, sagt Heiko von Geyr. Im transsonischen Bereich fliegt das Flugzeug zwar langsamer als Schallgeschwindigkeit, die Luftströmung um das Tragflächenprofil erreicht aber trotzdem stellenweise Überschallgeschwindigkeit. Dadurch kommt es zu einer sehr komplexen Strömung mit Verdichtungsstößen, was durch die MEMS-Sensoren zuverlässig erfasst werden muss.
Zusätzlich sind drei MEMS-Sensorflächen in der Nähe des Cockpits installiert. Sie messen Druckschwankungen in den dünnen Grenzschichten, die hier durch die Flugzeugform entstehen. Das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Göttingen hat die MEMS-Sensorflächen entwickelt.
Wertvolle Datenbasis
Die Testpiloten fliegen mit dem ISTAR exakt festgelegte Manöver in 11.000, 25.000, 35.000 und 45.000 Fuß Höhe. Das entspricht etwa 3.350, 7.620, 10.670 und 13.720 Meter Höhe. Rechner in der Kabine speichern alle Messwerte. Die Forschenden vergleichen den Datenschatz später mit Ergebnissen der numerischen Simulation. Supercomputer, wie die CARO- und CARA-Cluster des DLR sind hierfür unerlässlich. „Wir decken mit unseren Messungen den gesamten transsonischen Flugbereich bis an die Grenzen des Fliegbaren ab. Die Kombination der Messtechniken macht diese Datenbasis einmalig und äußerst wertvoll“, erläutert Heiko von Geyr.
Bei den Flügen mit dem DLR-Forschungsflugzeug ISTAR (In-Flight Systems and Technologies Airborne Research) stehen flugmechanische und flugdynamische Eigenschaften im Mittelpunkt. Die Testpiloten fliegen mit dem ISTAR exakt festgelegte Manöver. Die Flüge finden im Rahmen des Projekts HighFly statt.
Cockpit-Sicht bei einem Flugmanöver mit dem ISTAR
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Cockpit-Sicht bei einem Flugmanöver mit dem ISTAR
Bei den Flügen mit dem DLR-Forschungsflugzeug ISTAR (In-Flight Systems and Technologies Airborne Research) stehen flugmechanische und flugdynamische Eigenschaften im Mittelpunkt. Die Testpiloten fliegen mit dem ISTAR exakt festgelegte Manöver. Die Flüge finden im Rahmen des Projekts HighFly statt.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DLR-Instituts für Flugsystemtechnik haben im Rahmen des Projekts HighFly außerdem PID-Flüge (Parameter-Identifikations-Flüge) durchgeführt. Daraus entsteht ein flugdynamisches Simulationsmodell des ISTAR. Dieses kann dann unter anderem in einem Flugsimulator wie dem AVES (Air Vehicle Simulator) eingesetzt werden. „Wir können so neu entwickelte Flugregelungs- und Assistenzsysteme zunächst im Simulator erproben, bevor wir damit in den Flugversuch gehen“, sagt Christian Raab vom DLR-Institut für Flugsystemtechnik.
Bodenversuche für den Digitalen Zwilling
Am Boden haben die Forschenden vom DLR-Instituts für Aeroelastik im Sommer 2021 einen Standschwingungsversuch (Ground Vibration Test, GVT) und die Taxi Vibration Tests (TVT) durchgeführt. „Die Ergebnisse sind weit über das Projekt HighFly hinaus relevant: Jede Veränderung des ISTAR braucht eine aeroelastische Analyse, um die Betriebssicherheit der Modifikation nachzuweisen“, erklärt Dr. Marc Böswald vom DLR Institut für Aeroelastik. Flugzeuge haben keine starre Struktur. Um sicher fliegen zu können, muss deswegen die Elastizität berücksichtigt werden.
Beim GVT wurde der aufgebockte ISTAR in Schwingungen versetzt. Mehr als 200 zusätzliche Sensoren haben die Reaktionen des ISTAR gemessen und daraus ein Modell erstellt. Beim TVT wurde der ISTAR über die Rollbahn gezogen. Bodenunebenheiten erzeugen hierbei über das Fahrwerk Schwingungen. Während der aktuellen Flüge haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die aeroelastischen Eigenschaften des ISTAR mit neu entwickelten Verfahren ebenfalls überwacht. Künftig könnten auch diese Tests mit dem Digitalen Zwilling erfolgen.
Das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik hat darüber hinaus die Strömung zum Triebwerk mit Particle Image Velocimetry (PIV) für verschiedenen Schub-Einstellungen vermessen. Die Triebwerkszuströmung beeinflusst die Aerodynamik am ISTAR. Die ermittelten Daten werden ebenfalls für den Digitalen Zwilling zur Verfügung gestellt.
Der ISTAR
Der ISTAR (In-Flight Systems and Technologies Airborne Research) gehört seit 2019 zur DLR-Forschungsflotte. Er wird in mehreren Stufen ausgebaut. Bis Mitte der 2020er Jahre erhält er seine volle Einsatzbereitschaft als fliegender Simulator und bringt die Digitalisierung der Luftfahrt voran. Voll ausgebaut wird der ISTAR in der Lage sein, die Eigenschaften neuer Flugzeugentwürfe real oder virtuell zu testen. Der digitale Zwilling begleitet den ISTAR über seine gesamte Lebensdauer. Das Forschungsflugzeug ist bei den DLR-Flugexperimenten am Standort Braunschweig stationiert und reiht sich dort in die größte zivile Forschungsflotte Europas ein.
