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Gesamtsystementwurf
Konzeptstudien auf Gesamtsystemebene
Im Rahmen der Entwicklung der nächsten Generation an emissionsarmen Flugzeugen, insbesondere Wasserstoff-basierter Konzepte, besteht der Bedarf nach neuen Methoden für den Entwurf innovativer Flugzeug-Systemarchitekturen. Hierfür ist es notwendig Konzeptstudien unter Berücksichtigung verschiedener Technologiebausteine durchzuführen, um auf Flugzeugebene eine Entwurfsentscheidung zu unterstützen. Am Institut für Flugzeug-Systemtechnik (FST) wird ein Framework für den ganzheitlichen Entwurf der Flugzeugbordsysteme entwickelt. Das Framework umfasst mehrere Teilmodule, wie die pyramidenförmige Abbildung skizziert.
Gesamtflugzeug- und Gesamtsystementwurf
Die Schnittstelle zum Gesamtsystementwurf (engl.: Overall Systems Design, OSD) bildet der Gesamtflugzeugentwurf (engl.: Overall Aircraft Design, OAD), welcher die geometrischen Merkmale des Luftfahrzeugs und die obersten Anforderungen definiert. Der eigentliche Entwurfsprozess der Systeme beginnt dann mit dem Schritt des Systems Architecting, wofür am FST die Systems Architecting Assistant (SArA)-Methodik entwickelt und genutzt wird. Hier werden Gesamtsystemarchitekturen auf funktional-logischer Ebene definiert und hinsichtlich erster Kriterien, wie z.B. Systemkomplexität und Risiko, vorgefiltert. Die hieraus resultierenden, vielversprechendsten Architekturvarianten werden dann der Vorentwurfsmethodik GeneSys übergeben. GeneSys besteht aus Modulen zur Generierung der Systemtopologie und der anschließenden Vorauslegung der Bordsysteme. Als relevante Ergebnisse liefert GeneSys eine Abschätzung der Systemmasse sowie des Leistungsbedarfs der Bordsysteme (Sekundärleistungsbedarf). Die unterste Ebene bildet der detaillierte Systementwurf (engl.: Detailed System Design, DSD), in dessen Rahmen transiente Systemsimulationen stattfinden. Erkenntnisse und Analyseergebnisse aus dieser Ebene werden abstrahiert und den SArA und GeneSys-Methodiken zurückgeführt, mit dem Ziel den Vorentwurfsprozess stetig zu beschleunigen durch Bereitstellung von Wissen auf dieser informationsarmen Entwurfsebene.
Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanalysen
Im Rahmen des Systems Architecting-Prozesses mit SArA wird das Werkzeug SyRelAn eingesetzt, um für komplexe Systeme Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanalysen, Leistungsdegradationsuntersuchungen und Importanzanalysen auf Basis von Zuverlässigkeitsblockdiagrammen durchzuführen. Ein zusätzliches Modul des Tools nutzt nebenläufige, endliche Automaten zur Abbildung eines zustandsdiskreten, dynamischen Verhaltens komplexer Systeme und führt somit zu einer verbesserten Genauigkeit der Sicherheitsanalysen.
Systemarchitekturbewertung auf Gesamtflugzeugebene
Ein wesentlicher Punkt in der umfassenden Bewertung neuer Architekturkonzepte stellt die Evaluation des Einflusses auf das Gesamtprodukt dar. In einem entsprechenden Forschungsschwerpunkt werden die Auswirkungen neuer Technologien auf die Flugleistung und den fehlerfreien und sicheren Betrieb disruptiver Flugzeugkonzepte untersucht. Um den Einfluss der Masse und den Sekundärleistungsbedarf der Bordsysteme auf den Energieverbrauch (Kerosin bei konventionellen Triebwerken, Wasserstoff bei Brennstoffzellen, elektrische Energie beim Batterie-elektrischen Fliegen) des Flugzeugs bewerten zu können, wird am FST die dedizierte Methodik Mission Simulation and Analysis (MiSAna; basierend auf SysFuel+) entwickelt. Hier können unterschiedliche Flugmissionstrajektorien auf Basis von Triebwerks- und Systemmodellen simuliert werden, um die erforderliche Missionsenergiemenge bestimmen zu können.
Virtuelle Integration von Flugzeugsystemen
Im Rahmen detaillierter Systembetrachtungen werden Teilsysteme der Gesamtarchitektur in das virtuelle Gesamtflugzeug integriert. Am FST wird hierfür die virtuelle Integrationsplattform VIPER genutzt, in der transiente Systemverhaltens-, flugphysikalische und Antriebssystemmodelle zu einer komplexen Gesamtsystemsimulation gekoppelt werden. Ziel ist es, Wechselwirkungseffekte zwischen den Bordsystemen und dem Flugzeug, wie etwa Bauraumverträglichkeiten und Antriebssystemdynamiken, zu studieren. Auf diese Weise ist eine frühzeitige Validierung von Anforderungen möglich, die zu einer Reduktion von Fehlern und somit zu einer Kostensenkung im Entwicklungsprozess führt.
