Flugzeugentwicklung: 40% Kosteneinsparung ist drin
Das bedauerliche Scheitern von deutschen OEM´s wie Grob oder Fairchild Dornier ist zum Teil auf die enormen Anfangsinvestitionen bei der Entwicklung von neuen Flugzeugen zurück zu führen. Hier liegt eines der wichtigen Einsparpotentiale im Flugzeugbau, dessen sich beispielsweise die v-plane engineering GmbH angenommen hat. Sie zeigt: Durch konsequente Vernetzung der Entwicklungsumbebung sind Kosteneinsparungen bis zu 40% in der Flugzeugentwicklung möglich.
Die Herausforderung liegt wie in allen modernen Industriebereichen darin, die virtuelle Entwicklung digital so weit wie möglich zu treiben, bevor der erste Prototyp entsteht. So wurde der integrierte Design Prozess (IDP) bei v-plane entwickelt.
v-plane verknüpft dabei alle notwendigen Entwicklungsdisziplinen wie 3D Design CAD, aerodynamische Berechnung mit Hilfe numerischer Verfahren, Strukturberechnungen mit der Finite Elemente Methode, flugmechanische Stabilitätsanalysen, Strukturtests und Flugsimulationen. Sämtliche EASA Zertifizierungsvorschriften werden dabei von Anfang an durch eine Datenbank berücksichtigt.
Das 3D CAD Design ist absolute Grundlage für alle modernen Methoden. Durch intelligente Anwendung von universellen Schnittstellen können dabei die Daten der meisten gängigen CAD Tools verwendet werden.
Es müssen dafür zwei CAD Modelle vorliegen. Zum einen das Modell der inneren Flugzeugstruktur sowie das der Außenhülle.
Basierend auf dem Modell der Außenflächen werden aerodynamische Berechungen durchgeführt. Hierbei können alle zulassungsrelevanten Flugzustände berücksichtigt werden. Eingangsparameter sind: Anstellwinkel, Schiebewinkel, Fluggeschwindigkeit, Flughöhe, Ruder und Klappenausschläge. Hierbei werden auch instationäre transsonische Effekte berücksichtig wie Stöße und die dadurch induzierten instationären Strömungsablösungen. Als Ergebnis liegen dann alle aerodynamischen Lasten (Kräfte und Momente) vor, die in weiteren Schritten der Struktrumechanik Berechnung und der Flugmechanik Anlayse zur Verfügung gestellt werden können. Außerdem werden innerhalb der strömungstechnischen Analyse Optimierungen durchgeführt. Hierbei stehen im Vordergrund die Widerstandsoptimierung und die Optimierung von Kühlluftströmen. Zusätzlich erhält man durch weitere Auswertungen hieraus die optimale Platzierung von Pitotsonden und statischen Druckabnehmern.
Die strukturmechanischen Berechnungen bauen auf dem CAD Modell der inneren Struktur auf und verwenden als äußere Randbedingungen die strömungsmechanischen Lasten. Als Ergebnis liegen dann die Zonen höchster Spannungen und die dazugehörigen Sicherheitsfaktoren vor. In weiteren Optimierungsschritten kann in kritischen Zonen die Struktur verstärkt und in Zonen niedriger Belastung Masse eingespart werden. Bei Kompositbauweisen ergeben sich hieraus die Belegungspläne.
Die Flugmechanischen Derivativa – ebenfalls aus der Strömungsanalyse abgeleitet – werden weiter analysiert und es kann geprüft werden, ob die zulassungsrelevanten Stabilitätskriterien erfüllt sind. Des weiteren dienen diese Derivativa als Input für die Flugsimulation, mit der sich das Verhalten des Luftfahrzeuges aus Pilotensicht darstellen läßt. Hierbei können auch Ruderkräfte und Momente für alle Flugmanöver errechnet werden. Dieses widerum ist ein wichtiger Input für die Implementierung von Autopiloten.
Bei allen Schritten dienen die EASA Zulassungsvorschriften als Grundlage. Dies unter anderem auch für für die Festlegung der kritischen Lastfälle oder der nachzuweisenden Flight Envelope. Die Ergebnisse aller nachweisrelevanten Zwischenschritte werden in Berichtsform direkt in der Zertifizierungsdatenbank abgelegt und stehen den jeweiligen CVE´s und der Behörde zur Verfügung.
Die von Calin Gologan und Viorel Tigau konzipierte Zertifizierungsdatenbank enthält sämtliche Zertifizierungsvorschriften und gibt die notwendigen Nachweisschritte vor. Sie ist ein zentrales Managementwerkzeug für das Office of Airworthiness und übernimmt das notwendige Controlling im Zulassungsprozess. Der Projektstatus ist daraus jederzeit ersichtlich und auch dislozierte Projektpartner haben Ihrer Berechtigung entsprechend Zugriff. Am Ende des Prozesses entsteht ein Satz mit sogenannten „approved data”, mit denen ein Luftfahrzeug gebaut werden darf.
Das Gesamtsystem wurde unter der Leitung von Calin Gologan und Dr. Volker Kassera entwickelt. Dank der geschaffenen Schnittstellen enthält das System keinerlei Datenbrüche.
Die Ergebnisse aller Schritte werden jeweils hinsichtlich Zertifizierbarkeit, Wartbarkeit und Produktionsaufwand überprüft und solange iteriert, bis für alle Bereiche ein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht ist. Erst danach wird mit dem Protoypenbau begonnen.
Der Anfangsaufwand ist bei dieser Methode höher, armortisiert sich aber sehr schnell, da am Prototypen Kosten und zeitintensive Änderungen vermieden werden. Das Projektrisiko sinkt erheblich, Entwicklungszeitpläne und -kosten werden kalkulierbar.
Zur Validierung der IDP Methode entstand bei v-plane nebenbei ein eigenes viersitziges Reiseflugzeug mit dem Arbeitstitel TR230, welches im Jahr 2010 seinen Erstflug absolvieren wird.
Joachim Lau
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