Turbofan-Triebwerksgondeln mit formangepassten Einlässen haben das Potenzial, die Startleistung bei Seitenwind zu verbessern und den Widerstand im Reiseflug zu verringern. Gondeln sind, wie fast alle anderen Flugzeugkomponenten, ein konstruktiver Kompromiss für eine Vielzahl von Betriebs- und Randbedingungen. Wie bei anderen aerodynamischen Strukturen bestimmen ihre Formen ihre Funktionen: Dicke, abgerundete Einlässe eignen sich am besten für den Start bei starkem Seitenwind und hohen Anstellwinkeln und leiten die Strömung möglichst gleichmäßig und ablösungs- und verzerrungsfrei in das Triebwerk, was für einen sicheren Triebwerksbetrieb von entscheidender Bedeutung ist. Schlanke, scharfe Einlässe eignen sich am besten für den Reiseflug, da sie den Luftwiderstand verringern. Adaptive Inlets können das Beste aus diesen beiden Welten bieten, indem sie sich je nach Strömungsanforderungen zwischen den geometrischen Zuständen anpassen. Während das Konzept der adaptiven Inlets nicht neu ist, da sie bereits seit Jahrzehnten in Überschalltriebwerken eingesetzt werden, entwickelt das DLR zusammen mit dem Industriepartner Rolls-Royce Deutschland im LuFo-Projekt ModeGo neue Verbundwerkstoffkombinationen und Simulationsmethoden.
Einfach nur die Form zu ändern, ist keine Herausforderung mehr. Seit Jahren werden viele adaptive oder „morphende“ Strukturen für Verkehrsflugzeuge vorgeschlagen, gebaut und getestet, einige davon im Flug. Die Suche nach dem richtigen Design, das die Leistung gegenüber dem zusätzlichen Gewicht, der Komplexität und dem Energiebedarf deutlich erhöht, wird jedoch dazu beitragen, den Sweetspot in Richtung Marktpotenzial zu finden. Interdisziplinäres Vorgehen ist der einzige Weg, dieses schwer fassbare Design zu finden.
Gekoppelte Simulationen – eine Methodik, die mehr ist als ein Mittel zum Zweck
Wenn die „Form“ die „Funktion“ bestimmt, dann verändert die Umgestaltung der Form die Funktion. Die Quantifizierung dieser Beziehung zwischen Ursache und Wirkung kann nur durch eine multidisziplinäre Analyse erfolgen. Dieses analytische fluidstrukturgekoppelte Werkzeug ist so konzipiert, dass es von der Geometrieerstellung bis hin zu Struktur- und Fluidberechnungen automatisiert ist. Die von einer CAD-Software erzeugte Geometrie kann dann in die strukturellen und aerodynamischen Analysen übertragen werden. Die Formänderungen aufgrund von Betätigungskräften in der Finite-Elemente-Analyse (FEA) können mit der numerischen Strömungsanalyse (CFD) verknüpft werden, wo die aerodynamischen Lasten berechnet werden können. Anschließend können diese Lasten in die Strukturanalyse zurückgeführt werden und der Prozess wird bis zur Konvergenz wiederholt. Mit einem solchen Werkzeug ist es möglich, nicht durchführbare Entwürfe frühzeitig herauszufiltern, zu überdenken, zu wiederholen und zur nächsten Generation von Entwurfsmöglichkeiten überzugehen. Fail-Fast und frühzeitige Neuentwürfe auf der Grundlage dieses analytischen Rahmens verkürzen den Weg zur Übernahme. Dies bietet sich auch für andere Anwendungen adaptiver Strukturen, einschließlich beweglicher Flügel, an.
Adaptive Konzepte
Im Laufe dieses iterativen Entwurfsprozesses wurde eine Reihe von Konzepten vorgeschlagen, die derzeit untersucht werden. Eines der Hauptmerkmale aller Konzepte ist die Kombination von Materialien, insbesondere die Verwendung von Elastomer-Verbundwerkstoffen. Frühere Projekte zeigten, dass Glasfaserverbundwerkstoffe auf Epoxidbasis chemisch mit Elastomeren verbunden werden können. Ebenso erwies sich der Verbund dieser Elastomere mit metallischen Oberflächen als möglich. Solche hybriden Verbundwerkstoffe lassen mehr Flexibilität, Dehnbarkeit und maßgeschneiderte Steifigkeit um nahtlose, stufenlose, aerodynamisch glatte Oberflächen zu. An der Vorderkante von Gondeln wie auch von Flügeln ist Glätte der Schlüssel zur Vergrößerung des Bereichs laminarer Strömung und damit zur Verringerung des Luftwiderstands.
