UpLift: Standschwingungsversuch für klimaverträgliche Flugzeuge der Zukunft
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) nutzt sein Forschungsflugzeug D328® UpLift als fliegendes Testlabor für klimaverträgliche Luftfahrt-Technologien. Erste Messflüge mit voll synthetischem Treibstoff waren bereits erfolgreich. Nun hat das Entwicklungsteam einen sogenannten Standschwingungsversuch durchgeführt. Das auf einer Luftstützung gebettete und somit vom Boden entkoppelte Flugzeug wurde strukturdynamisch genau vermessen. Mithilfe der Ergebnisse validieren die Forschenden die Vorhersagemodelle, die das Schwingungsverhalten des Flugzeugs in jeder Flugsituation simulieren. Experimentelle Umbauten, etwa für neuartige Antriebstechnologien, können dann zügiger und wirtschaftlicher umgesetzt werden. Das DLR leitet das Projekt und bringt seine Systemkompetenz in der Luftfahrtforschung ein, um nachhaltige Technologien schneller in die Praxis zu bringen.
Bild: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)
„Mit dem Standschwingungsversuch haben wir einen wichtigen Meilenstein im Projekt Uplift erreicht. Nun können wir kommende Modifikationen am Forschungsflugzeug auch aeroelastisch bewerten. Ich freue mich, dass wir den Test effizient durchgeführt und hochwertige Ergebnisse erzielt haben. Dazu hat auch die neue Luftstützung entscheidend beigetragen“, erklärt Julian Sinske vom DLR-Institut für Aeroelastik.
Die rund zweiwöchigen Versuche fanden im Hangar der Deutschen Aircraft GmbH in Oberpfaffenhofen statt. Der Flugzeughersteller führt den Aus- und Umbau des fliegenden Testlabors im Auftrag des DLR durch. „Der erfolgreiche Standschwingungsversuch leistet einen wesentlichen Beitrag zur Validierung und Weiterentwicklung der Strukturmodelle des Flugzeugs. Diese sind entscheidend für den weiteren Aus- und Umbau der D328® UpLift und ermöglichen präzise Vorhersagen sowie fundierte Analysen des aeroelastischen Verhaltens“, sagt Simon Binder, Ingenieur für Flugphysik bei Deutsche Aircraft.
Ausgefeilter Versuchsaufbau
Das Testteam vom DLR-Institut für Aeroelastik stattete das Forschungsflugzeug mit insgesamt 237 Beschleunigungssensoren aus. Aus den von den Sensoren erfassten Zeitdaten wurden die Eigenfrequenzen, Schwingungsformen und Dämpfungen der gesamten Flugzeugstruktur ermittelt. Um das Flugzeug am Boden geeignet in Schwingung zu versetzen, wurden die Bauteile wie Flügel, Rumpf und Steuerflächen, nacheinander durch sogenannte „Shaker“ angeregt.
Die Shaker funktionieren ähnlich wie Lautsprecher: Anstelle von über Luft übertragene Schallwellen, werden mechanische Schwingungen über eine Stößelstange eingeleitet, die am Flugzeug befestigt ist. Die Schwingungen des gesamten Flugzeuges werden dann von den Beschleunigungssensoren erfasst und als elektrische Signale über Kabel an die Messanlage übertragen. Die Forschenden nutzen teils am DLR entwickelte Software, um die empfangenen Signale auf handelsüblichen PCs anzuzeigen, weiterzuverarbeiten und schließlich auszuwerten.
Auswertung vor Ort bei optimalen Testbedingungen
Damit das am Boden stehende Flugzeug ungestört schwingen kann, also ähnlich wie beim Fliegen, wurde die D328® UpLift auf einer speziellen Luftstützung gelagert: Die Stützung wurde an drei Punkten unter den Achsen des Fahrwerks montiert. Sie sorgte dafür, dass das Flugzeug sehr weich und sicher gelagert ist und bei ihren Bewegungen vom Boden entkoppelt bleibt. Damit stellten die Forschenden die bestmöglichen Randbedingungen für den Schwingungsversuch sicher.
Die Luftstützung wurde im Rahmen des Forschungsprojekts Uplift beschafft und gemeinsam mit der Fabreeka GmbH Deutschland entwickelt. Fabreeka ist eine Tochter des Stabilus Konzerns und weltweit als Experte für niederfrequente Schwingungsisolation bekannt. Nach ihrem erfolgreichen Einsatz steht die neue Luftstützung am DLR nun auch für Tests mit anderen Forschungsflugzeugen und für Industriepartner zur Verfügung.
Das DLR-Testteam wertete die Daten bereits vor Ort aus. So konnten die Forschenden vorab prüfen, wie stimmig die experimentellen Messergebnisse sind und mit den bestehenden Simulationsmodell vergleichen. Dank der vorläufigen Analysen erkannten sie zum Beispiel bereits während der Versuche, ob die Sensoren gut funktionieren, neu positioniert oder bestimmte Frequenzbereiche noch getestet werden müssen. Bei den Standschwingungstests wurden mehr als 50 verschiedene Schwingungsformen bestimmt – die spezifische Frequenz, Amplitudenhöhe und Amplitudenrichtung (grafisch dargestellt) mit der die Flugzeugstruktur antwortet, wenn sie in einer bestimmten Frequenz angeregt wird.
Schneller Ausbau zum fliegenden Testlabor
Die Ergebnisse der ausführlichen Analyse nutzen die Forschenden, um das Simulationsmodell der D328® UpLift zu validieren und zu verbessern. Der weitere Aus- und Umbau des DLR-Flugzeugs zum fliegenden Testlabor wird dadurch wesentlich beschleunigt. Für die Modifikationen am Flugzeug bringt auch die DLR-Einrichtung Flugexperimente ihre langjährige Erfahrung und Expertise ein. Das Projektteam plant zum Beispiel neuartige Tankbehälter unter den Flügelspitzen zu installieren, um vielversprechende klimaverträgliche Antriebstechnologien zu testen.
„Aus dem Standschwingungsversuch haben wir einen sehr wertvollen Datensatz gewonnen. Auf dieser Grundlage können wir jetzt schneller als erwartet die benötigten Außenanbauten am Flügel und am Rumpf angehen“, betont Stefan Schröder vom Projektmanagement der DLR-Einrichtung Flugexperimente.
„Unser herzlicher Dank gilt allen beteiligten Teams – und ganz besonders unseren Partnern beim DLR. Dieser Test war mehr als ein technisches Verfahren; er war ein eindrucksvoller Beweis dafür, was möglich ist, wenn Industrie und angewandte Forschung Hand in Hand arbeiten.“
Simon Binder, Ingenieur für Flugphysik bei Deutsche Aircraft
Als fliegendes Testlabor soll die D328® UpLift künftig der Industrie, kleinen und mittelständischen Unternehmen, Startups sowie Forschungseinrichtungen zur Verfügung stehen, um neue, klimaverträgliche System-, Treibstoff- und Antriebstechnologien unter Realbedingungen zu erproben. Gefördert wird das Projekt durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Gemeinsames Ziel ist es, den Praxiseinsatz von nachhaltigen Technologien in der Luftfahrt maßgeblich zu beschleunigen.