Kurze Beschreibung des HIRENASD Projekts
Mit finanzieller Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), hat der Sonderforschungsbereich "Strömungsbeeinflussung und Strömungs-Struktur-Wechselwirkung an Tragflügeln" (SFB 401) an der RWTH Aachen aeroelastische Experimente mit einem elastischen Flügel-Modell im Transschall vorbereitet, die im November 2006 im European Transonic Windtunnel (ETW) durchgeführt wurden. Finanzielle Unterstützung kam von Airbus für eine neue Piezo-Waage zur dynamischen Kraftmessung im ETW. Der ETW übernahm die Umrüstung des Windkanals mit der neuen Waage. Das DLR war mit der aeroelastische Datenerfassung beauftragt.
Der Transschall ist charakterisiert durch starke Nichtlinearitäten wie Verdichtungsstöße und Strömungsvorgänge, die stark von der Reynolds-Zahl abhängen, z.B. stoß-induzierte stationäre und instationäre Strömungsablösungen, und mögliche Stoß-Schwingungen mit instationärer Fluid-Struktur-Kopplung. Neben der Notwendigkeit eines tieferen Verständnisses der aeroelastische Phänomene, sind Windkanalexperimente mit elastischen Flügeln bei Mach- und Reynolds-Zahlen von realen Transportflugzeugen für die Validierung von Methoden zur rechnerischen aeroelastischen Simulation (CAES) notwendig.
Unter kryogenen Bedingungen im ETW ist es möglich, mit der Halbmodelltests Reynolds-Zahlen von bis zu 80 Millionen bei hohen transsonischen Machzahlen zu erreichen, entsprechend den Strömungsbedingungen an Großraumpassagierflugzeugen im Reiseflug. Ein weiterer Vorteil des ETW ist, dass die Parameter Machzahl, Reynoldszahl und dynamischer Druck, die das aeroelastische Verhalten des Flügels beeinflussen können, unabhängig voneinander variiert werden können.
Die Experimente umfassten stationäre und instationäre Messungen mit dem Windkanalmodell des SFB 401 in der reinen Flügel-Referenzkonfiguration, die das überkritische Profil BAC 3-11 (veröffentlicht in AGARD-AR-303) und einen für große Passagierflugzeugflügel typischen Grundriss besitzt. Die Spannweite des Flügelmodells ist etwa 1,3 Meter, die Pfeilung beträgt 34 °. Das Modell wurde mit rund 250 Miniatur-Drucksensoren, 11 Beschleunigungssensoren, 22 Dehnungsmessstreifen und Oberflächenmarkern für optische Verschiebungsmessungen ausgestattet.
In verschiedenen Teilprojekten des SFB 401 wurde das elastische Windkanal-Modell mit den erforderlichen aeroelastische Eigenschaften unter Berücksichtigung der interdisziplinären Aspekte entwickelt. Die dynamische Dimensionierung konzentriert sich hauptsächlich auf klar getrennte Eigenformen und Eigenfrequenzen. In jedem Entwicklungsschritt wurden die strukturellen Eigenschaften des Flügelsmodells mittels computergestützter Strukturdynamik (CSD) Methoden entwickelt, wobei ein Navier-Stokes-Löser die aerodynamischen Auslegungslasten lieferte. Das CAE-Paket SOFIA (Solid-Fluid-Interaction), das im SFB 401 entwickelt wurde, wurde genutzt, um das statische und dynamische aeroelastische Verhalten des Modells unter Windkanalverhältnissen zu simulieren.
Vor dem Abschluss des Sonderforschungsbereichs nach der maximalen, zwölfjährigen Förderungsdauer im Jahr 2008 fand das HIRENASD-Projekt eine Fortsetzung in dem Transferprojekt ASDMAD (Aero-Structural Dynamics Methods for Airplane Design) der Deutschen Forschungsgemeinschaft, das gemeinsam von der DFG, der Airbus Deutschland GmbH und der RWTH Aachen gefördert wird. In diesem Projekt wird das HIRENASD-Flügelmodell an seiner Spitze unter Beibehaltung der Spannweite durch zwei unterschiedliche Wingletvarianten, eine mit fester Geometrie und eine mit einer beweglichen Klappe, modifiziert und in zwei Versuchsreihen erneut im ETW experimentell untersucht. Die erste Versuchsreihe (ASDMAD-1, Winglet mit fester Geometrie) fand im Februar 2010 statt, die zweite Versuchsreihe wird 2011 durchgeführt.