Multidisziplinärer Gesamtentwurf, Analyse und Bewertung am Beispiel des DLR Future Fighter Demonstrators im DLR Projekt Diabolo

Der Entwurf moderner Kampfflugzeugkonzepte wird durch Kompromisse zwischen zahlreichen, teils widersprüchlichen Anforderungen getrieben. Das DLR-Projekt "Diabolo" hat die Aufgabe, die klassischen Methoden des Konzeptentwurfs von Kampfflugzeugen zu digitalisieren und effektiv mit den Ergebnissen höherwertiger Analyseverfahren zu koppeln, sodass unter anderem komplexe Agilitätsanforderungen bereits in der frühen Phase der Konzeptauswahl berücksichtigt werden können. Mittels dieser Methodik wird der "DLR Future Fighter Demonstrator" (DLR-FFD) entworfen, ein generisches Mehrzweck-Kampfflugzeug, dessen Anforderungen an den Bedürfnissen eines zukünftigen deutschen Kampfflugzeugs ausgerichtet sind. Für den Entwurf des DLR-FFD wurde zunächst ein Anforderungskatalog mit herausfordernden Missionsvignetten und ambitionierten Vorgaben für die Agilität zusammengestellt. Basierend auf umfangreichen, vorab durchgeführten numerischen und experimentellen Strömungssimulationen, wurde eine für hohe Agilität vielversprechende Grundrissform gewählt, für die dann mittels eines auf Knowledge-Based-Engineering Methoden basierenden Konzeptentwurfs- und Syntheseverfahrens ein initialer Entwurf ausgelegt wurde. Um bereits in dieser frühen Entwurfsphase ein umfassendes aerodynamisches Modell des DLR-FFD in den Prozess einbringen zu können, wurden Aerodynamikverfahren unterschiedlicher Genauigkeit in einem mehrstufigen Ersatzmodell miteinander verknüpft. Ein detaillierter Entwurf eines für den DLR-FFD optimierten Triebwerks wurde ebenfalls durchgeführt. Die Nutzung dieser höherwertigen Modelle erlaubt so bereits frühzeitig eine Evaluation der geforderten Flugleistungen; die Ergebnisse werden wiederum zur Kalibrierung der Auslegungsverfahren sowie zur Weiterentwicklung der Konfiguration in den hochiterativen Prozess des Konzeptentwurfs zurückgeführt. Im Rahmen von Diabolo werden somit im DLR die Möglichkeiten geschaffen, Kampfflugzeugkonzepte zu entwerfen und umfassend multidisziplinär zu bewerten. Dabei wird ein besonderer Fokus auf die Analyse der Sensitivitäten gelegt, die ein Konzept hinsichtlich bestimmter, vorgegebener Anforderungen aufweist

DLR Projekt Diabolo: Technologien und Entwurf von Kampfflugzeugen der nächsten Generation

Das DLR Forschungsprojekt Diabolo hat die Aufgabe, die klassischen Methoden des Konzeptentwurfs von Kampfflugzeugen zu digitalisieren und effektiv mit den Ergebnissen höherwertiger Analyseverfahren zu koppeln. Mit dieser Vorgehensweise soll gewährleistet werden, dass möglichst viele Anforderungen an das Flugzeug schon in einer frühen Phase des Entwurfsprozesses hinreichend berücksichtigt werden können, sodass der Bedarf für aufwändige "Anpassungen" im späteren Entwurfsverlauf verringert wird. Mittels dieser Methodik wird ein virtueller "DLR Future Fighter Demonstrator" (DLR-FFD) entworfen, ein Konzept für ein generisches Mehrzweck-Kampfflugzeug, dessen Anforderungen an den Bedürfnissen eines möglichen zukünftigen deutschen Kampfflugzeugs ausgerichtet sind. Das Projekt wird im Rahmen einer Kooperation mit Airbus Defence and Space und MTU Aero Engines durchgeführt. Dieser Artikel gibt eine kurze Gesamtübersicht über den gegenwärtigen Stand des Projekts Diabolo und bildet so die Einleitung in eine "Special Session" von insgesamt neun Artikeln zum Projekt Diabolo beim Deutschen Luft- und Raumfahrtkongress 2022

NATO STO/AVT-251: A Joint Exercise in Collaborative Combat Aircraft Design

This article provides an overview about the activities performed within the NATO STO Research Task Group AVT-251 on "Multi-Disciplinary design and performance assessment of effective, agile NATO Air Vehicles". After a brief introduction to the preceding task groups and the research questions that led to the formation of AVT-251, the selection of design requirements is discussed and the approach for developing the MULDICON UCAV configuration out of its predecessor, the SACCON concept, is described. A short summary presents the work performed by the four design teams, each of which was responsible for one of the major topics on which the design task had been focused (aerodynamic shaping, control concept, engine integration, and structural concept). The task of a fifth team was two-fold: initially, it was responsible for the specification of the design requirements; later in the process, it had to join together the results of the other four teams into an overall aircraft concept and to assess this concept with respect to the initially specified set of requirements. Finally, a concluding summary of the MULDICON concept, as well as of the research questions of the AVT-251 task group are presented

Was nützt der Canard? Ergebnisse aus dem DLR-Projekt "Dreiflächen-Flugzeug (3FF)"

Nach einem kurzen Überblick über die Geschichte der Dreiflächen-Flugzeuge werden Vor- und Nachteile verschiedener Höhenleitwerkskonfigurationen diskutiert. In einem zweiten Abschnitt werden Ergebnisse aus dem DLR-Projekt "Dreiflächen-Flugzueg" hinsichtlich Canard-Lage und -Pfeilung und ihre Auswirkung auf die Längsstabilität vorgestellt. Weiterhin wird das Konzept des "Free-Floating-Canard" vorgestellt, der keine Verringerung der Längsstabilität verursacht. Abschließend wird ein Überblick über das zu erwartende Leistungspotential eines Canards bei Verwendung an einem Dreiflächen-Flugzeug gegebe

Entwicklung von Schnittstellen zur Integration des Strukturanalyse und -dimensionierungstools SAM in das PrADO des DLR Braunschweig

In dieser Studienarbeit wird ein erster Schritt in Richtung der Einbindung des neuen Strukturanalyse- und Strukturdimensionierungstools SAM des Instituts für Flugzeugbau und Leichtbau (IFL) der TU Braunschweig in einen geschlossenen Entwurfszyklus des Gesamt- und Vorentwurfsprogramms PrADO des IFL, Version des DLR Braunschweig, gemacht. Dazu wird der Oberflächen-Netzgenerator GRI1X derart erweitert, dass er grundsätzlich in der Lage ist, aus PrADO heraus allgemeine Drachenflugzeug-Konfigurationen zu erzeugen und diese für das Strukturprogramm SAM bereitzustellen. Weiterhin wird das bislang iterative und damit sehr zeitaufwendige Trimmverfahren in SAM um eine alternativ anwendbare, sehr schnelle Trimmroutine auf Basis von aerodynamischen Derivativen ergänzt. Darüber hinaus vorgenommene Änderungen im Programm SAM betreffen insbesondere die Einführung eines Entenflügels als weitere trimmbare Steuerfläche im Rahmen des DLR-Projektes "Dreiflächen-Flugzeug". Abschließende Beispiele demonstrieren den in dieser Arbeit erreichten Integrationsgrad des Strukturprogramms SAM in das DLR-Gesamtentwurfsprogramms PrADO sowie die Funktionalitäten der verschiedenen Teilprogramme

Ein Beitrag zur Optimierung von Flügel-Leitwerk-Konfigurationen mit Hilfe des Gesamtentwurfsverfahrens PrADO

Ziel der Diplomarbeit war die Anbindung des beim DLR Braunschweig entwickelten Mehrfach-Traglinien-Verfahrens LIFTING-LINE, zur Berechnung der aerodynamischen Beiwerte einer Flugzeug-Konfiguration, an das Gesamtentwurfssystem PrADO des Instituts für Flugzeugbau und Leichtbau der Technischen Universität Braunschweig. Als Hauptaufgabe war ein Schnittstellenprogramm zu entwickeln und als Unterprogramm an das Aerodynamik-Modul von PrADO anzuschließen. Dieses Schnittstellenprogramm liest aus den Datenbanken von PrADO alle erforderlichen Geometriedaten der zu analysierenden Flugzustände (Variationen von Machzahl, Anstellwinkel und Höhenleitwerks-Einstellwinkel) des Flugzeugs ein und bereitet sie in Form von LIFTING-LINE-Steuerdateien auf. Mit jeder dieser Steuerdateien läßt es LIFTING-LINE einmal ablaufen und entnimmt anschließend aus den dabei erzeugten Ergebnisdateien die aerodynamischen Beiwerte, die von PrADO benötigt werden. Die Beiwerte werden in Kennfeldern zusammengefaßt und in der Aerodynamik-Datenbank von PrADO abgelegt. Weitere Aufgaben waren die Integration einer Nickmomentenbeiwert-Berechnung in LIFTING-LINE und die Entwicklung einer neuen Trimmfunktion für PrADO. Die neue Trimmfunktion berücksichtigt neben dem vertikalen Kräftegleichgewicht (alte PrADO-Trimmung) auch das Nickmomentengleichgewicht und erlaubt damit die Dimensionierung des Flugzeugs im stationären Flugfall, sowie die Kontrolle von Stabilität und Steuerbarkeit in allen von PrADO berücksichtigten Flugzuständen. Da LIFTING-LINE neben den Beiwerten des Gesamtflugzeugs auch die Verteilungen von Auftriebs- und Nickmomentenbeiwert entlang der Flügelspannweite zur Verfügung stellt, können nun auch die auf den Flügel-Holmkasten wirkenden Lasten deutlich genauer abgeschätzt werden, als dies bisher möglich war. In einem abschließenden Arbeitsabschnitt wurde mit der neuen PrADO-Version ein Standard-Verkehrsflugzeug vom Typ Boeing 777 nachmodelliert und unter schrittweiser Zuschaltung der neu hinzugefügten Programmfunktionen wurden die Auswirkungen dieser Erweiterungen auf das Gesamtergebnis qualitativ bewertet. Auf Basis der 777 wurde mit PrADO ein Transportflugzeug in Enten-Konfiguration entworfen und mit dem zuvor berechneten 777-Modell verglichen. Die Ergebnisse dieses Vergleichs zeigen die typischen Vor- und Nachteile einer Entenkonfiguration

Untersuchung alternativer Steuerkonzepte für eine Giersteuerung ohne Seitenleit-werk an einer hoch gepfeilten Nurflügelkonfiguration

Im Rahmen des DLR Projekts Mephisto soll ein Steuerkonzept für eine hoch gepfeilte Nur-flügelkonfiguration, der MULDICON1, ohne Seitenleitwerk ausgelegt werden [2]. Auf ein konventionelles Seitenleitwerk zur Giersteuerung soll in diesem Auslegungsprozess zu Gunsten einer geringen Radarsignatur verzichtet werden. Aus diesem Grund ist es notwendig, alter-native Konzepte für die Giersteuerung zu untersuchen. Diese sollen sowohl die flugmechanischen Anforderungen als auch die Anforderungen an die Radarsignatur erfüllen. An die Aerodynamik werden dabei neue Herausforderungen gestellt, damit das alternative Steuerelement für einen großen Teil des Flugbereichs anwendbar ist. Aufgrund der hohen Vorderkantenpfeilung bildet sich für mittlere bis hohe Anstellwinkel ein wirbelbehaftetes Strömungsfeld über dem Flügel aus, welches mit den Steuerflächen interagiert. Dieses muss im Rahmen der Auslegung der Steuerelemente berücksichtigt werden. Es konnte bereits für konventionelle Steuerflächen an der Hinterkante gezeigt werden, dass dieses einen großen Einfluss auf die Steuerflächenwirksamkeit besitzt [3]. Der Inhalt dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung alternativer Steuerkonzepte und deren Auswirkungen auf das aerodynamische Verhalten. Die Randbedigungen der erforderlichen Steuerwirksamkeiten ergeben sich aus den flugmechanischen Anforderungen, die im Rahmen des Projekts Mephisto erarbeitet wurden [4]. Aus diesem Grund wurden drei Konzepte in Designstudien untersucht. Als erstes ein Spoilerkonzept, dann eines mit einer Spreizklappe und abschließend ein Konzept mit abge-knickten Flügelspitzen [5]

A distributed toolbox for multidisciplinary preliminary aircraft design

In 2005, the German Aerospace Center (DLR) started an internal project, called TIVA, with the main goal to strengthen the multidisciplinary collaboration in the field of conceptual aircraft design. This approach was intended not only to couple disciplinary analysis tools from different institutes, but also to establish a process which keeps the disciplinary experts in the loop as well. Linking the tools and corresponding experts, this process should finally enable each discipline to study the consequences of their new concepts and technologies on overall aircraft level. One major component of this process is a new data exchange file format called CPACS, which serves as central interface and common language between the disciplinary analysis tools. The second key component is the integration framework, which allows the user to couple the single tools to multidisciplinary process chains for analysis and optimization tasks. Since the end of the TIVA project in 2009, the system is continuously being enhanced and extended in TIVA’s successor-project VAMP, as well as in several other research projects which are based on this technology. For the near future, it is further planned to open the system with its major components to external partners and to use it for common projects with Industry and Universities