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Flugdynamik und Lasten
Flugdynamische Modellierung und Analyse
Die mathematische Modellierung des Flugzeugverhaltens unter Berücksichtigung der atmosphärischen Einflussfaktoren ist der Ausgangspunkt für komplexe flugdynamische Simulationen. Grundlegende Ziele dieses Forschungsschwerpunktes am Institut für Flugzeug-Systemtechnik sind die Erstellung von modularen, parametrisierten Simulationsmodellen des starren und elastischen Flugzeuges, die Schätzung von unbekannten bzw. unsicheren Modellparametern sowie die Bestimmung des Belastungszustandes der flexiblen Flugzeugstruktur. Flugdynamische und systemtechnische Modellbibliotheken dienen in diesem Zusammenhang dem schnellen und flexiblen Aufbau von realitätsnahen, multi-disziplinären Simulationsmodellen. Zur Kopplung von Flugmechanik, Aerodynamik und Strukturdynamik mit der Systemsimulation werden u. a. Mehrkörpersimulationen (MKS) in Verbindung mit FE-Modellen eingesetzt. Der Einsatz von echtzeitfähigen Rechnersystemen ermöglicht darüber hinaus die Integration realer Systemkomponenten im Rahmen von „Hardware in the Loop“ Simulationen. Diese bilden eine Grundlage für die virtuelle Integrationsplattform VIPER.
Lastschätzung und Lastbewertung
Eine Strukturlastüberwachung ermöglicht es lastrelevante Ereignisse im Flug zu detektieren und anschließende, gegebenenfalls erforderliche Inspektionen am Boden zielgerichteter und damit in kürzerer Zeit als bisher möglich durchzuführen. Auf diese Weise können außerplanmäßige Bodenzeiten verkürzt und daraus resultierende wirtschaftliche Ausfälle reduziert werden.
Für die Strukturlastüberwachung kommen direkte oder indirekte Verfahren zum Einsatz. Bei der direkten Strukturlastüberwachung werden auftretende Lasten mithilfe von Lastsensoren gemessen. Bei der indirekten Strukturlastüberwachung erfolgt die Lastermittlung durch teilweise oder vollständige Messung des Flugzustandes und zusätzlichen Lastmodelle. Je nach Art des Modellansatzes ist hierzu der Einsatz von einfachen Übertragungsfunktionen bis hin zu komplexen nichtlinearen Beobachtern möglich. Dabei ist hervorzuheben, dass neben Manöverlasten auch Lasten infolge von unbekannten Störeinwirkungen (Böen, Turbulenz, Fahrbahnunebenheiten) erfasst werden sollen, was einen speziellen Modellansatz erforderlich macht.
Am Institut für Flugzeug-Systemtechnik wird ein breites Spektrum sowohl direkter als auch indirekter Verfahren zur Strukturlastüberwachung erprobt. Direkte Verfahren zur Strukturlastüberwachung sind für die Flugversuchsträger UW-9 Sprint und ULTRA-Dimona, sowie für diverse Lastenprüfstände realisiert. Sie dienen insbesondere als Referenz bei der Validierung von indirekten Verfahren. Bezüglich der indirekten Verfahren erfolgt im Rahmen des FTEG-Projektes die Auslegung eines nichtlinearen Luenberger Beobachters zur Schätzung von Strukturlasten an Flügeln und Leitwerken, sowie dessen Validierung mithilfe von Flugmessdaten. Flankierend erfolgt die Entwicklung weiterer modellbasierter Verfahren, basierend beispielsweise auf Handbuchmethoden, Kalman-Filter-Algorithmen sowie Lokal-Modell-Netzen. Ziel der Untersuchungen ist eine vergleichende Bewertung und die Entwicklung eines erweiterten Ansatzes, unter Ausnutzung der Stärken der untersuchten Algorithmen.
Systemidentifikation und Parameterschätzung
Von zentraler Bedeutung für die praktische Anwendbarkeit ist die Modellvalidierung anhand von experimentellen Daten. Mit der modularen Prozess- und Toolkette DAVIS können parametrische Simulationsmodelle mit den Methoden der Systemidentifikation bzw. Parameterschätzung dem realen Verhalten angepasst und unbekannte Parameter geschätzt werden. Der rechnergestützte Modellierungsassistent SIGMA unterstützt die Generierung parametrischer Modelle aus Messdaten. Er ist insbesondere darauf ausgelegt, in einer frühen Phase der Modellbildung eine schnelle Beurteilung der vorliegenden Modellcharakteristik und eine kostengünstige Verhaltenssimulation bzw. -analyse zu ermöglichen (Rapid Modeling). Markenzeichen dieses universellen Frameworks auf der Basis von Lokalmodell-Netzen sind seine hohe Flexibilität und die Anwendbarkeit auf unterschiedlichste Fragestellungen wie z.B., Sensormodelle, Kennfeld-Regler, Response Surface sowie adaptive Modelle.
Validierung anhand von Flugversuchsdaten
Für die experimentelle Untersuchung stehen dem Institut zum einen skalierte, unbemannte Flugversuchsträger der ULTRA Familie zur Verfügung, um kostengünstig, schnell und flexibel Flugversuche durchführen zu können. Zum anderen werden bemannte Versuchsflugzeuge (z.B. UW-9 SPRINT) in Kooperation mit unseren Projektpartnern eingesetzt.
