Multidisziplinäre Simulation des Wirbelschleppen Durchfluges eines Flugzeuges mit dem DLR TAU-Code

Ausgangssituation: Für die Auslegung eines Flugzeuges sind eine Vielzahl unterschiedlicher Lastfälle zu berücksichtigen. Auf der einen Seite wird das Flugzeug für den Reiseflug optimiert, um eine möglichst große Reichweite bei geringem Brennstoffverbrauch zu erzielen. Auf der anderen Seite muss sichergestellt werden, dass ein Flugzeug auch in kritischen Situationen, wie beispielsweise der Begegnung mit einer kräftigen Böe oder der Wirbelschleppe eines voreilenden Flugzeuges, beherrschbar ist und den zusätzlichen Belastungen standhält. Um die zusätzlichen aerodynamischen Lasten vorherzusagen, werden heute in der Regel vereinfachte Methoden basierend auf Streifentheorie oder Doublet-Lattice-Methoden verwendet. Dadurch sind insbesondere bei hohen Fluggeschwindigkeiten (Kompressibilitätseffekte, Nichtlinearitäten) Vorhersagefehler der einfachen Methoden zu erwarten, weshalb entsprechend hohe Sicherheitsfaktoren aufgeschlagen werden. Das führt unter Umständen zu einer deutlichen Überdimensionierung der Struktur, und damit zu einem erhöhten Flugzeuggewicht. Ziel: Um die Genauigkeit bei der Vorhersage der zusätzlichen durch Wirbelschleppen induzierten Lasten gegenüber oben angesprochenen einfachen Verfahren zu verbessern, soll im DLR RANS-Löser TAU die Möglichkeit geschaffen werden, Wirbelschleppen-Begegnungen von Flugzeugen zu simulieren. Dabei soll auch die Reaktion des Flugzeuges in Folge der Lasten durch Kopplung zur Flugmechanik Berücksichtigung finden. Lösungsweg: Verschiedene Autoren haben in Euler- bzw. RANS-Verfahren den sogenannten Störgeschwindigkeitsansatz implementiert, bei dem die durch Böen induzierten Störungen in Form von Störgeschwindigkeiten als Funktion vom Raum und der Zeit vorgegeben werden können. Von Vorteil ist, das die atmosphärischen Störungen in der Simulation im Strömungsfeld nicht numerisch aufgelöst werden müssen. Es können Standardnetze Verwendung finden, was gegenüber der Auflösung der atmosphärischen Störungen eine effiziente numerische Behandlung verspricht. Dieses Verfahren ist für Böen-Begegnungen auch im TAU-Code implementiert und erfolgreich eingesetzt worden. Inzwischen ist es für Wirbelschleppenbegegnungen erweitert worden. Die durch die Wirbelschleppe induzierten Geschwindigkeiten werden durch Überlagerung zweier gegenläufiger „Burnham-Halloc“ Wirbel modelliert. Als Beispiel für einen Wirbelschleppen-Durchflug wurde die Interaktion eines generischen Kampfflugzeuges mit einer Wirbelschleppe eines voraus fliegenden Flugzeuges erfolgreich demonstriert. Neben der Aerodynamik wird auch die Flugmechanik berücksichtigt, um die Reaktion des Flugzeuges in Folge der Wirbelschleppe und von Steuerbewegungen zu erfassen

Multidisciplinary optimization of an NLF forward swept wing in combination with aeroelastic tailoring using CFRP

This article introduces a process chain for Commercial aircraft wing multidisciplinary optimization (MDO) based on high fidelity simulation methods. The architecture of this process chain enables two of the most promising future technologies in commercial aircraft design in the context of MDO. These technologies are natural laminar flow (NLF) and aeroelastic tailoring using carbon fiber reinforced plastics (CFRP). With this new approach the application of MDO to an NLF forward swept composite wing will be possible. The main feature of the process chain is the hierarchical decomposition of the optimization problem into two levels. On the highest level the wing planform including twist and airfoil thickness distributions as well as the orthotropy direction of the composite structure will be optimized. The lower optimization level includes the wing box sizing for essential load cases considering the static aeroelastic deformations. Additionally, the airfoil shapes are transferred from a given NLF wing design and the natural laminar flow is considered by prescribing laminar-turbulent transition locations. Optimization results of the multidisciplinary process chain are presented for a Forward swept wing aircraft configuration on conceptual design level. The results show a fuel burn reduction in the order of 9% for the design mission

Multidisziplinäre Böensimulation zur Lastabminderungsanalyse

Die Strukturdimensionierung von Flugzeugen wird maßgeblich durch Böen-, Manöver- und Bodenlasten bestimmt. Adaptive Lastabminderungsmaßnahmen (Stichwort: 1g-Flügel) verheißen das Potential die auftretenden Maximallasten zu reduzieren bzw. das Strukturgewicht zu verringern. Die sachgemäße Analyse von Lastabminderungstechnologien bedarf zwingend einer multidisziplinären Betrachtungsweise. In Hinarbeit auf dieses Ziel wird hier eine Prozesskette zur Böensimulation eingesetzt, in der hochgenaue Verfahren für die Teildisziplinen Aerodynamik, Strukturdynamik und Flugmechanik im Zeitbereich miteinander gekoppelt sind. In Sensitivitätsstudien für eine generische Transportflugzeugkonfiguration unter Reiseflugbedingung wird der Einfluss von Vertikal- und Lateralböen auf das gekoppelte System vorgestellt, sowie der Einfluss auf die Lastverteilungen an Tragflügel und Höhenleitwerk untersucht

Design of Eco-Efficient Body Parts for Electric Vehicles Considering Life Cycle Environmental Information

The reduction of greenhouse gas (GHG) emissions over the entire life cycle of vehicles has become part of the strategic objectives in automotive industry. In this regard, the design of future body parts should be carried out based on information of life cycle GHG emissions. The substitution of steel towards lightweight materials is a major trend, with the industry undergoing a fundamental shift towards the introduction of electric vehicles (EV). The present research aims to support the conceptual design of body parts with a combined perspective on mechanical performance and life cycle GHG emissions. Particular attention is paid to the fact that the GHG impact of EV in the use phase depends on vehicle-specific factors that may not be specified at the conceptual design stage of components, such as the market-specific electricity mix used for vehicle charging. A methodology is proposed that combines a simplified numerical design of concept alternatives and an analytic approach estimating life cycle GHG emissions. It is applied to a case study in body part design based on a set of principal geometries and load cases, a range of materials (aluminum, glass and carbon fiber reinforced plastics (GFRP, CFRP) as substitution to a steel reference) and different use stage scenarios of EV. A new engineering chart was developed, which helps design engineers to compare life cycle GHG emissions of lightweight material concepts to the reference. For body shells, the replacement of the steel reference with aluminum or GFRP shows reduced lifecycle GHG emissions for most use phase scenarios. This holds as well for structural parts being designed on torsional stiffness. For structural parts designed on tension/compression or bending stiffness CFRP designs show lowest lifecycle GHG emissions. In all cases, a high share of renewable electricity mix and a short lifetime pose the steel reference in favor. It is argued that a further elaboration of the approach could substantially increase transparency between design choices and life cycle GHG emissions

Molecular mechanism of mast cell–mediated innate defense against endothelin and snake venom sarafotoxin

Mast cells are protective against snake venom sarafotoxins that belong to the endothelin (ET) peptide family. The molecular mechanism underlying this recently recognized innate defense pathway is unknown, but secretory granule proteases have been invoked. To specifically disrupt a single protease function without affecting expression of other proteases, we have generated a mouse mutant selectively lacking mast cell carboxypeptidase A (Mc-cpa) activity. Using this mutant, we have now identified Mc-cpa as the essential protective mast cell enzyme. Mass spectrometry of peptide substrates after cleavage by normal or mutant mast cells showed that removal of a single amino acid, the C-terminal tryptophan, from ET and sarafotoxin by Mc-cpa is the principle molecular mechanism underlying this very rapid mast cell response. Mast cell proteases can also cleave ET and sarafotoxin internally, but such “nicking” is not protective because intramolecular disulfide bridges maintain peptide function. We conclude that mast cells attack ET and sarafotoxin exactly at the structure required for toxicity, and hence sarafotoxins could not “evade” Mc-cpa's substrate specificity without loss of toxicity

Global aero-structural design optimization of composite wings with active manoeuvre load alleviation

In the scope of the DLR project VicToria (Virtual Aircraft Technology Integration Platform), an integrated process for aero-structural wing optimization based on high fidelity simulation methods is continuously developed and applied. Based upon a parametric geometry, flight performance under transonic flight conditions and manoeuvre loads are computed by solving the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. Structural mass and elastic characteristics of the wing are determined from structural sizing of the composite wing box for essential manoeuvre load cases using computational structural mechanics. Static aeroelastic effects are considered in all flight conditions and active manoeuvre load alleviation is integrated in the process. Global aero-structural wing optimizations are successfully performed for wings with and without active manoeuvre load alleviation. The active manoeuvre load alleviation is introduced with a simplified modelling of control surface deflections using a mesh deformation technique. The minimization of the fuel consumption for three typical flight missions represents the objective function. Wing optimizations are performed for variable and constant wing planform parameters as well as for wings with conventional composite wing box structure and for more flexible wings. The latter is accomplished by introducing modifications of the structural concept and the strain allowable. A significant mass reduction of the optimized wing box is obtained for wings with active manoeuvre load alleviation, resulting in a drop in fuel consumption of about 3%. For wing optimizations with the more flexible wing concept, the active manoeuvre load alleviation shows an additional reduction of the fuel consumption in the order of 2%. The wings with active manoeuvre load alleviation results in optimized wing geometries with increased aspect ratio and reduced taper ratio

Bathymetry of the Indonesian Sunda margin-relating morphological features of the upper plate slopes to the location and extent of the seismogenic zone

Earthquake history shows that the Sunda subduction zone of the Indonesian margin produces great earthquakes offshore Sumatra, whereas earthquakes of comparable magnitude are lacking offshore Java and the Lesser Sunda islands. Morphological structures in multibeam bathymetric data across the forearc relate with the extent of the seismogenic zone. Its updip limit corresponds to the slope break, most distinct off Java and Lesser Sunda islands, where we find coincident narrow, uniform, continuous outer arc ridges. Their landward termination and a shallow upper plate mantle mark the downdip limit of the seismogenic zone. In contrast the outer arc ridges off Sumatra are wider and partly elevated above sea level forming the forearc islands. The downdip limit of the seismogenic zone coincides with a deeper upper plate mantle. Sunda Strait marks a transition zone between the Sumatra and Java margins. We find the differences along the Sunda margin, especially the wider extent of the seismogenic zone off Sumatra, producing larger earthquakes, to result from the interaction of different age and subduction direction of the oceanic plate. We attribute a major role to the sediment income and continental/oceanic upper plate nature of Sumatra/Java influencing the composition and deformation style along the forearc and subduction fault

The error analysis of R. Miller orientation algorithm on a four-frequency reference model of a rigid body rotation

Запропоновано нове аналітичне представлення компонент кватерніона орієнтації твердого тіла у вигляді алгебраїчної суми добутків тригонометричних функцій кутів, що одномоментно змінюються у часі. З оберненого кватерніонного кінематичного рівняння отримані аналітичні вирази для компонент вектора кутової швидкості, що відповідають такому обертальному руху. Для задачі оцінювання точності алгоритмів безплатформеної орієнтації сформовано еталонну модель обертання, яка включає аналітичні вирази для ідеальних сигналів датчиків кутової швидкості у вигляді квазікоординат. Для декількох наборів частот отримано чисельні реалізації еталонної моделі, побудовані траєкторії в конфігураційному просторі параметрів орієнтації. Проведено чисельний аналіз похибки дрейфу для алгоритму орієнтації четвертого порядку з використанням у якості проміжних параметрів компонент вектора орієнтації, приріст якого на такті обчислюється алгоритмом Р. Міллера при різних значеннях коефіцієнтів. Показано, що алгоритм Р. Міллера з новим набором коефіцієнтів забезпечує меншу накопичену похибку дрейфу у порівнянні з традиційним алгоритмом і оптимізованим під конічний рух.A new analytical representation of the rigid body orientation quaternion components in the form of an algebraic sum of products of trigonometric functions of angles that simultaneously change in time is proposed. From the inverted quaternion kinematic equation, analytical expressions for the components of the angular velocity vector are obtained, which correspond to such rotational motion. For theproblem of error analysis of SINS orientation algorithms, a reference model has been formed that includes analytical expressions for ideal signals of angular velocity sensors in the form of quasi-coordinates. For several sets of frequencies, numerical implementations of the reference model were obtained, trajectories in the configuration space of orientation parameters were constructed. A numerical analysis of the drift error for the fourth-order orientation algorithm was performed using the components of the orientation vector as intermediate parameters, the increment of which is calculated by the R. Miller algorithm for various values of coefficients. It is shown that the R. Miller algorithm with a new set of coefficients provides a smaller accumulated drift error compared with the traditional algorithm and one optimized for conical motion