Methodik zur modellbasierten Prognose von Flugzeugsystemparametern im Vorentwurf von Verkehrsflugzeugen

Fachgebiet:

Virtuelle Integration und Systembewertung

Jahr:

2006

Art der Publikation:

Dissertation

Autoren:

Carsten Koeppen

Notiz:

Schriftenreihe Flugzeug-Systemtechnik Aachen: Shaker ISBN: 3-8322-5234-7

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Heutzutage fallt der frühzeitigen, detaillierten Bewertung von Flugzeugsystemen im Flugzeugentwurf ein immer größer werdender Stellenwert zu, da die vorgesehenen Technologien und Konzepte einen wesentlichen Einfluß auf die spätere Wirtschaftlichkeit und damit auf den Erfolg eines Entwurfes haben. Die bisher velWendeten Modelle beruhen auf einer statistischen Auswertung gebauter Flugzeuge und belÜcksichtigen meistens nur ein bis zwei Eingangskennwerte. Die dabei zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge werden daher nur unzureichend abgebildet, weshalb eine Anwendung dieser Modelle auf einen Entwurf mit neuen Systemarchitekturen, -konzepten und -technologien nur sehr ungenaue Ergebnisse liefert. Der Einfluß der Flugzeugsysteme auf das Gesamtflugzeug ist einerseits durch ihre Masse und den daraus resultierenden Kraftstoffverbrauch von großer Bedeutung. Andererseits ist für den Betrieb der Systeme Leistung erforderlich, die sich über das Triebwerk ebenfalls auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Durch diesen Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit des Flugzeuges ist die BelÜcksichtigung der Systeme bereits im frühen Entwurfsstadium notwendig. Diese Arbeit stellt eine entsprechende Methodik und das daraus entwickelte physikalisch basierte Systemmodell vor, mit dem eine Prognose von Flugzeugsystemparametem unter BelÜcksichtigung von Architekturen und Technologien bereits im Vorentwurf möglich ist. Die Methodik gliedert sich in drei Schritte: "Identiflkation der Haupteinflüsse", ,,Bildung der Funktionale" und ,,Adaption anband gebauter Flugzeuge". Im ersten Schritt werden auf der Systemebene und der Hauptkomponentenebene dominante Teile bestimmt, die zusarmnen etwa 80 % der Summe des betrachteten Parameters ausmachen. Für die ausgewählten Elemente werden dann im zweiten Schritt die physikalischen Funktionale ennittelt und für die Anwendung im Vorentwurf angepaßt. Im letzten Schritt erfolgt eine Adaption der Funktionale anhand realer Daten gebauter Flugzeuge, um die nicht berücksichtigten Komponenten und Vereinfachungen auszugleichen. Bei der Analyse der Systeme wurden bezüglich der Masse die Systeme Fahrwerk, Ausstattung, Elektrisches System, Flugsteuerung, Hydraulisches System und Klimaanlage als Hauptsysteme ennittelt. Die Entwicklung der Funktionale erfolgt fur jedes System individuell nach den jeweils dimensionierenden Anforderungen. Dazu wurden für diesen Fall die Wirkketten ennittelt und entsprechend in Gleichungen umgesetzt, die jeweils eine Berechnung einzelner Kopplungen ennöglichen. Die Entwicklung und Auswertung der Funktionale erfolgte für den Airbus A320 und A340; außerdem wurde der Airbus A310 als unabhängiger Flugzeugtyp zur Verifikation hinzugenommen. Dabei konnte gezeigt werden, daß die Prognosen auf Basis dieser Funktionale in deren Gültigkeitsbereich lediglich einen Fehler von etwa +/- 10 % aufweisen. Zur Umsetzung und Anwendung der Methode stand das Flugzeugentwurfsprogramm PrADO zur VerfUgung, das um die entwickelten Funktionale erweitert wurde. Durch Variation der Eingangskennwerte konnten damit Sensitivitäten für verschiedene Systemparameter aufgezeigt werden, wodurch eine Bewertung ihres Einflusses auf die Systeme und das Gesamtflugzeug möglich wird. Entsprechende Analysen lassen sich auch fur grundlegende Flugzeugentwurfskennwerte durchfuhren, auch für Fälle mit sogenannten Schneeballeffekten, bei denen eine anfängliche Änderung durch Rückkopplung verstärkt wird. Mittels der entwickelten Funktionale ist ebenfalls eine Analyse verschiedener Systemkonftgurationen sowie des für die Ermittlung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs wichtigen Leistungsbedarfs der Systeme möglich. Die durchgefiibrten Arbeiten zeigen, daß eine Prognose der Flugzeugsystemparameter auf Basis der physikalischen Kopplungen im Vorentwurf möglich ist, obwohl nur eine begrenzte Zahl an Eingangskennwerten zur VerfUgung steht. Für den heutigen Stand der Technik ist zudem die Qualität dieser Prognose je nach Funktional gleichwertig oder besser als die der besten statistisch basierten Verfahren. Im Gegensatz zu diesen bleibt aber die Aussagequalität auch für neue Konzepte und Konfigurationen erhalten. Die in dieser Arbeit vorgestellte Methodik läßt sich über Masse und Leistungsbedarf hinaus auf weitere Systemparameter wie zum Beispiel Herstellungs- und Wartungskosten erweitern. Auf Grund des modularen Aufbaus der Funktionale können auch diese selbst erweitert werden. Hierbei kann bei Bedarf sowohl eine weitere Detaillierung einzelner Funktionale erfolgen als auch eine Integration neuer Funktionale für neue Systemtechnologien durchgefuhrt werden.