Betätigungssysteme und Aktuatoren

Aktuatoren und Betätigungssysteme im Allgemeinen finden in zahlreichen Systemen an Bord eines Flugzeuges Anwendung. Ein grundlegendes Verständnis dieser meist sicherheitskritischen Komponenten ist daher für die sichere Durchführung einer Flugmission von essentieller Bedeutung. Die Gruppe Betätigungssysteme und Aktuatoren des Institutes für Flugzeug-Systemtechnik verfügt über ein breit gefächertes Spektrum von Fähigkeiten, die sowohl die Auslegung, als auch den Betrieb von Betätigungssystemen betreffen. Anwendungskompetenzen ergeben sich neben den Bereichen der primären und sekundären Flugsteuerung auch für Höhenflossenstellsysteme und die Fahrwerksbetätigung.

Primäre Flugsteuerung

Elektromechanische Aktuatoren

Im Bereich der primären Flugsteuerung liegt ein Forschungsschwerpunkt in dem Entwurf von elektromechanischen Aktuatoren (EMA). Mit Hilfe von geeigneten Methoden und rechnergestützten Werkzeugen für den Vorentwurf von EMAs kann der Entwicklungsprozess solcher Systeme beschleunigt werden. Sowohl einfache Modelle für den Vorauslegungsprozess und die Bewertung von neuen Architekturen, als auch detaillierte Modelle für die Untersuchung dynamischer Effekte und Wechselwirkungen, sind in der Modellbibliothek des Tools PreDEMA enthalten. Im Rahmen des europäischen Projektes Actuation2015 wird dieses Tool für die Optimierung von EMAs hinsichtlich einer Standardisierung der Komponenten verwendet.

Optimale Steuerungs- und Sicherheitsfunktionen sowie Überwachungskonzepte für primäre Flugsteuerungssysteme mit EMAs werden anhand detaillierter Modelle entworfen. Dadurch wird versucht sowohl die Lasten an den mechanischen Komponenten als auch die thermischen Belastungen in den elektrischen Bauteilen zu verringern, um die Lebensdauer der Aktuatoren zu erhöhen. Diese Konzepte werden mit einem multifunktionalen EMA Prüfstand MEMAP unter realen Flugbedingungen validiert. Ein weiterer wichtiger Aspekt für erfolgreiche Steuerungs- und Überwachungskonzepte sind präzise und robuste Sensoren. Mit Hilfe eines Positionssensorprüfstandes können am Institut beispielsweise verschiedene Winkelsensoren unter variierenden Umweltbedingungen hinsichtlich ihrer Eignung erprobt werden.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt in der Entwicklung eines modelbasierten Prozesses zum virtuellen Testen von elektromechanischen Aktuatoren. Das Ziel dabei ist es, durch die zielgerichtete Anwendung von Simulationswerkzeugen den Entwicklungsprozess zu unterstützen und dadurch die Kosten sowie den Zeitaufwand für Integrationstests auf Systemebene zu reduzieren.

Höhenflossenstellsysteme

Die Erforschung neuer Antriebskonzepte für Höhenflossenstellsysteme, die zur Trimmung eines Transportflugzeuges dienen, ist ein weiteres Themengebiet der Gruppe Betätigungssysteme und Aktuatoren. Die bisher eingesetzten Systeme weisen aufgrund einer mangelnden Wart- und Testbarkeit erhebliche Nachteile auf. Daher werden am Institut für Flugzeug-Systemtechnik neue Konzepte für Höhenflossenstellsysteme untersucht. Dieses umfasst umfangreiche Konzeptstudien, detaillierte Simulationen neuer Konzepte, sowie den experimentellen Nachweis der Funktionalität mit Hilfe eines Demonstrators (THSA-Prüfstand). Neben der Modellvalidierung eignet sich das Experimentalsystem darüber hinaus zum Entwickeln und Testen von Steuerungs- und Regelungskonzepten, sowie zur Systemüberwachung und Fehlersimulation.

Hochauftriebssysteme

Die Entwicklung neuer Antriebssysteme von Hochauftriebssystemen ist ein interdisziplinärer und iterativer Prozess mit Schnittstellen zu zahlreichen weiteren Flugzeugsystemen. Am Institut für Flugzeug-Systemtechnik liegt ein Forschungsschwerpunkt auf dem Entwurfsprozess komplexer Antriebssysteme von der Konzeptphase über die Auswertung statischer Zusammenhänge zwischen Entwurfsparametern bis zur Modellbildung und Simulation. Hierbei werden mit Hilfe eines rechnergestützten Entwurfsassistenten (WissBaSys) erste Systementwürfe erstellt, welche durch sich ändernde Randbedingungen oder zusätzliche Anforderungen während der Entwicklung ergänzt werden können. Darüber hinaus lassen sich die grafische Repräsentation der Systemarchitektur und die bestimmten Komponentenparameter mit Teilmodellen zur dynamischen Systemsimulation verknüpfen, sodass ein komplexes Gesamtsystemmodell inklusive der Modellparameter automatisch erzeugt werden kann.

Fahrwerke

Getrieben durch das Konzept eines More-Electric-Aircraft bestehen auch für den Bereich der Fahrwerke von Verkehrsflugzeugen Überlegungen, deren konventionell hydraulische Betätigung durch elektrische Antriebssysteme zu ersetzen. Dabei stellt sich die Herausforderung neue Systemlösungen für ein elektrisches System zu entwickeln, welches die gleichen Anforderungen wie das herkömmliche, hydraulische System erfüllt.

Im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte werden am Institut für Flugzeug-Systemtechnik Konzepte für den methodischen Entwurf von elektrisch betätigten Fahrwerkssystemen entwickelt. Der Schwerpunkt liegt hierbei in der Ausarbeitung neuer Systemlösungen und der Auswahl von Komponenten zur Erfüllung der Betriebsfunktionen. Die systematische Entwurfsmethodik umfasst dabei den Entwicklungsvorgang ausgehend vom Kinematikentwurf, über die dynamische Systemsimulation und die Reglerauslegung bis hin zu einem abschließenden Nachweis der geforderten Systemfunktionen.