Bewertung von CFK-Strukturen in einem multidisziplinären Entwurfsansatz für Verkehrsflugzeuge

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Abbildung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKVs) innerhalb eines bestehenden Gesamtentwurfprozesses für Verkehrsflugzeuge und nutzt die sich daraus ergebenden neuen Gestaltungsmöglichkeiten. Dazu werden gezielt deren anisotropen Eigenschaften unter Berücksichtigung statisch aeroelastischer Effekte für die Gestaltung des Flügels unter Einsatz von aeroelastic tailoring ausgenutzt. Die Abbildung dieser Effekte in einer frühen Phase des Flugzeugentwurfs kann dazu beitragen, zukünftige Flugzeugentwürfe wirtschaftlicher zu machen und so den Marktanforderungen entgegenzukommen. Für die Einordnung der Arbeit wird zuerst ein Überblick über Programme zur Ermittlung der Strukturmassen von Flugzeugentwürfen gegeben und herausgestellt, inwieweit die vorliegende Arbeit eine Lücke im Bereich der Massenabschätzung von Strukturen aus FKVs füllt. Das Ziel der Arbeit ist damit einerseits die Massenabschätzung von FKVs und andererseits die Rückführung der Ergebnisse auf den integrierten Gesamtentwurf. Nachfolgend sind der vorliegende Gesamtentwurfsprozess und wichtige Vertreter von Gesamtentwurfsverfahren für Flugzeuge gegenübergestellt worden, um den Detaillierungsgrad des erweiterten Prozesses herauszustellen. Die notwendigen Erweiterungen im Prozess werden unter Darstellung der verwendeten theoretischen Ansätze beschrieben und Lösungen der sich ergebenden Problemstellungen werden hergeleitet. Am Beispiel eines Mittelstrecken- und eines Langstreckenflugzeuges werden die Erweiterungen auf Gesamtentwurfsebene validiert. Darauf werden ebenso an diesen Beispielflugzeugen Parameterstudien durchgeführt, um die neuen Fähigkeiten des Gesamtentwurfs und die Sensibilitäten von klassisch isotrop aufgebauten Flügeln und solchen aus FKVs auf Änderung der Zirkulationsverteilung aufzeigen. Sowohl für das untersuchte Mittelstrecken- als auch Langstreckenflugzeug erweisen sich leicht dreieckige Zirkulationsverteilungen als vorteilhaft. Der CFK-Flügel zeigt dabei ein Optimum näher der elliptischen Idealverteilung und führt zu generell leichteren Entwürfen. Der Einfluss der statischen Aeroelastik ist beim Mittelstreckenflugzeug gering, beim Langstreckenflugzeug nicht vernachlässigbar. Abschließend ist der Einfluss von aeroelastic tailoring bei einem vorwärts- und einem rückwärtsgepfeilten Flügel an einem Mittelstreckenflugzeug untersucht worden. Durch das aeroelastic tailoring kann generell eine leichte Strukturmassenreduktion aus der passiven Lastreduktion beobachtet werden, ohne sich drastisch negativ auf die Ruderwirksamkeit auszuwirken. Die Untersuchungen zeigen aber auch, das aeroelastic tailoring nicht allein die Schlüsseltechnologie ist, um die strukturellen Gewichtsnachteile eines vorwärtsgepfeilten Tragflügels, der aus aerodynamischer Sicht für zukünftige Verkehrsflugzeuge interessant sein könnte, zu kompensieren.