Mit KI schneller zum klimaverträglichen Fliegen
- Künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen unterstützen die Entwicklung von energieeffizienten Flugzeugkonfigurationen.
- Komplexe Strömungsphänomene können schneller vorhergesagt werden.
- Numerische Simulationen nutzen vorhandene Rechnerressourcen besser.
- Schwerpunkte: Luftfahrt, Digitalisierung, klimaverträgliches Fliegen, künstliche Intelligenz
Der Weg zum klimaverträglichen Fliegen führt über energieeffiziente Flugzeuge, emissionsarme Antriebe und optimierte Flugrouten. Die Digitalisierung kann die Entwicklungen beschleunigen, zum Beispiel durch Simulationen der Luftströmung um ein Flugzeug. Das bedeutet, dass Hochleistungsrechner mit riesigen Datenmengen arbeiten müssen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat jetzt gezeigt, wie maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz (KI) die Entstehung und Weiterverarbeitung der Daten entscheidend unterstützen können.
„Mit unserer Software können wir die Strömung für verschiedene Situationen im Flugbetrieb sehr genau simulieren und anschließend analysieren. Für den Entwurf oder die Zulassung spielen zahlreiche Strömungsbedingungen und Flugzeugkonfigurationen eine Rolle. Es ist aber zu aufwendig, sie alle mit den etablierten Verfahren der Strömungsmechanik zu berechnen“, sagt Prof. Stefan Görtz vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Braunschweig. „Hier kommen tiefe künstliche neuronale Netze ins Spiel, die große Mengen an unstrukturierten Daten verarbeiten. Diese Methoden des maschinellen Lernens haben wir speziell für den Einsatz in der Aerodynamik angepasst. Sie ermöglichen es uns, schnell viele Vorhersagen zu machen.“ Das Besondere ist, dass diese annähernd die gleiche Güte haben wie die Aussagen, die mit klassischen Verfahren erstellt wurden. Auch komplexe Strömungsphänomene wie Verdichtungsstöße oder Ablösegebiete können die Forschenden mittlerweile gut vorhersagen.
Je genauer die Simulation, umso besser können künftige Flugzeuge bewertet werden
Verdichtungsstöße entstehen unter anderem, wenn ein Flugzeug zwar langsamer als mit Schallgeschwindigkeit fliegt, die Luftströmung um die Tragflächen aber trotzdem stellenweise Überschallgeschwindigkeit erreicht. Dort ändert sich der Strömungszustand schlagartig. Verdichtungsstöße erzeugen außerdem einen höheren Luftwiderstand und die Luftströmung kann der Flügeloberfläche in bestimmten Situationen nicht mehr folgen – sie löst ab. „Die genaue Simulation dieser Strömungsphänomene ist wichtig, um die aerodynamischen Eigenschaften und damit die Effizienz künftiger Flugzeuge und Triebwerke belastbar beurteilen zu können“, sagt Stefan Görtz.
Die Forschenden verwenden Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) auch, um Turbulenzmodelle voranzubringen. Eine turbulente Strömung zeichnet sich durch unregelmäßige Geschwindigkeits- und Druckschwankungen aus. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben Simulations- und Messdaten aus dem DLR kombiniert, um bestehende Modelle mit Hilfe von KI zu verbessern. Chaotische, wirbelnde Bewegungen von Luft können jetzt besser vorhergesagt und verstanden werden. „Neu ist dabei, dass auch dann fundierte Aussagen möglich sind, wenn nicht alle winzigen Details in der Simulation kostspielig berechnet werden“, sagt Stefan Görtz.
Numerische Simulation: Wie strömt die Luft um die Tragflächen?
Im Projekt SMARTfly (Smart Modeling of Flying Transport Vehicles), das kürzlich abgeschlossen wurde, hat das Team unter der Leitung von Dr. Philipp Bekemeyer und Prof. Stefan Görtz auch die seit Jahrzehnten bewährte numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) an sich verbessert. Die CFD-Berechnungen laufen auf den beiden DLR-Supercomputern CARA und CARO in Dresden und Göttingen. Die numerische Simulation legt ein virtuelles Gitternetz um das Objekt. Die Computer berechnen dann die Strömungsgleichungen für einzelne Zellen im Gitternetz. Je kleiner die Zellen sind, umso genauer die Ergebnisse – und desto höher der Rechenaufwand. Die jetzt verwendete CFD-Software von ONERA, DLR und Airbus (CODA) wurde speziell für die effiziente Ausnutzung heutiger und zukünftiger Rechnerhardware konzipiert und im Projekt weiterentwickelt. „Wir können mit CODA nun Strömungen in verschiedensten Geschwindigkeitsbereichen simulieren und sowohl das Strömungsverhalten bei Hubschraubern im Schwebeflug als auch Passagierflugzeugen im Reiseflug berechnen. Beides in einer Software zu können ist in dieser Form neu.“
Die Software eignet sich außer für Anwendungen in der Luftfahrt auch für die Simulation von Windkraftanlagen, Autos, Zügen und Schiffen bis hin zu Raumfahrzeugen sowie für das Tankschwappen in Wasserstofftanks.
Perspektivisch tragen die Ergebnisse im Projekt SMARTfly dazu bei, die virtuelle Zulassung von neuen Flugzeugtypen voranzutreiben. Die Forschenden können früh im Entwicklungsprozess erste Aussagen treffen, welche Auswirkungen Veränderungen auf den Treibstoffverbrauch haben oder wie sich bestimmte Konfigurationen im Flug verhalten.
Weiterführende Links
- DLRmagazin 173: Richtig schnelle Knoten – Die Supercomputer CARA und CARO unterstützen Forschungsprojekte mit ihren außergewöhnlichen Rechenleistungen
- Aerodynamik und die Kunst des Flugzeugdesigns
- Thema im Fokus: Klimaverträgliches Fliegen
- Thema im Fokus: Künstliche Intelligenz
- DLR-Standorte Braunschweig, Dresden und Göttingen
Das Projekt SMARTfly
Das Projekt SMARTfly ist Teil des Verbundprojektes DIGIfly (Digital Flight of Air Vehicles), das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert wurde. Neben dem DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Industrieunternehmen und Universitäten waren auch das DLR-Institut für Antriebstechnik und das DLR-Institut für Softwaremethoden zur Produkt-Virtualisierung beteiligt.
Im Mittelpunkt von SMARTfly stand die Weiterentwicklung des Strömungslösers CODA und der DLR-Softwarebibliotheken für datengetriebene Modellierung und Optimierung AutoOpti (Triebwerke) und SMARTy (Flugzeuge).
Luftfahrt-Forschung im DLR
Flugzeug und Luftverkehr als Gesamtsystem stehen im Mittelpunkt der Luftfahrt-Forschung im DLR. Sie bereitet den Weg in die Zukunft der Luftfahrt und gestaltet ihre Transformation im Sinne des klimaverträglichen Fliegens zur Reduzierung der CO2- und Nicht-CO2-Effekte. Das DLR entwickelt dazu hochintegrierte Technologielösungen, Methoden und Prozesse. Die Digitalisierung beschleunigt den Weg zur klimaverträglichen Luftfahrt.