Ein Beitrag zur multidisziplinären Optimierung aktiv morphender Tragflügelsegmente unter Berücksichtigung aerodynamischer und struktureller Ziele

Die aerodynamisch optimale Form von Flugzeugflügeln hängt von dem konkreten Flugzustand ab. Konventionelle Flügel sind in der Regel für den Reiseflug optimiert. Außerhalb dessen ist die Formgebung aerodynamisch suboptimal. Formveränderliche Flügel versprechen eine stetige Anpassung an den jeweiligen Flugzustand und bieten damit Potential für eine Widerstandsreduktion und Effizienzsteigerung zukünftiger Verkehrsflugzeuge. Bei der Entwicklung von Konzepten formveränderlicher Flügel stellen die problemimmanenten Wechselwirkungen zwischen Aerodynamik, Struktur und Aktuatorik eine wesentliche Herausforderung dar. Für die ganzheitliche Bewertung und Optimierung formveränderlicher Flügel sind demnach effiziente multidisziplinäre Methoden erforderlich. Die vorliegende Arbeit stellt eine Methode zur multidisziplinären Mehrzieloptimierung aktiv formveränderlicher Flügelsegmente vor. Zielstellung ist der Erhalt von Strukturkonzepten mit möglichst geringem Widerstand über variierende Flugzustände und möglichst geringer Strukturmasse. Die Optimierungsmethode erlaubt hierfür eine simultane Optimierung der nachgiebigen Struktur des Flügelsegments, dessen Aktuierung und der Zielkontur. Durch den vergleichenden Einsatz von drei Methoden zur Parametrisierung der Struktur wird die generelle Anwendbarkeit der Optimierungsmethode nachgewiesen. Eine beispielhafte Anwendung der Methode zeigt die Krümmungsänderung des Flügelsegments als treibende Formänderung zur Widerstandsminimierung bei variierenden Flugzuständen auf. Die kontinuierliche Anpassung der Krümmung erlaubt das Beibehalten eines nahezu konstanten Widerstandsbeiwerts. Eine abschließende Bewertung der möglichen Energieeinsparung erlaubt die ganzheitliche Quantifizierung des Potentials der aktiven Formänderung des Flügelsegments.