21.08.2023

Aktive Flatter-Dämpfung erfolgreich getestet

Gefürchtetes Luftfahrt-Phänomen mittels eines raffinierten Regelsystems überwunden.

Einem europäischen Forschungsteam ist es gelungen, eine große Heraus­forderung in der Luftfahrt zu meistern: Die Wissen­schaftler haben das Phänomen des Flatterns in der Flugzeug­struktur mit Hilfe eines Regelsystems aktiv gedämpft. Die Forscher stellten dies bei Flugversuchen mit einem speziell konstruierten Unmanned Aerial Vehicle unter Beweis.

Abb.: Einem inter­natio­nalen Forschungs­team ist es gelungen, eine der...
Abb.: Einem inter­natio­nalen Forschungs­team ist es gelungen, eine der größten Heraus­forde­rungen in der Luft­fahrt zu meistern und das gefürch­tete Flatter­phäno­men mit einem aus­ge­feilten Regel­system aktiv zu unter­drücken. (Bild: DLR; CC BY-NC-ND 3.0)

Beim Entwurf von Flugzeugen werden Technologien für eine Leichtbauweise eingesetzt, um deren CO2-Fußabdruck durch einen geringeren Brennstoff­verbrauch zu verringern. Leichtere Flugzeug­strukturen sind flexibler. Das bedeutet, dass sie sich bei einer aero­dynamischen Belastung verformen. Verbesserungs­trends bei Material und Design werden dafür sorgen, dass Flugzeuge noch leichter werden und ihre Flexibilität dadurch weiter erhöht wird.

Dieses Zusammenspiel von struktureller Verformung und Aerodynamik wird als Aeroelastik bezeichnet. Mit zunehmender Flexibilität wird die Struktur­dynamik des Flugzeugs in den Eigenheiten seiner Vibration von bestimmten Phänomenen betroffen. So kann unter bestimmten Bedingungen die Interaktion zwischen den Schwingungen der Flugzeug­struktur und der umgebenden Luftströmung instabil werden. Dieses bekannte aero­elastische Phänomen, Flattern genannt, kann durch eine rapide Zunahme der Schwingungs­amplitude zu einem kata­strophalen Versagen führen. Daher muss eine Flugzeug­struktur so ausgelegt sein, dass das Flattern niemals während der normalen Betriebs­geschwin­digkeit auftreten darf. Diese wesentliche Voraussetzung stellt eine beträchtliche Einschränkung dar, wenn Flugzeug­strukturen noch leichter werden.

Eines der wesentlichen Ziele des Projekts Flight Phase Adaptive Aero-Servo-Elastic Aircraft Design Methods, kurz FliPASED, war es, Flattern mit aktiven Mitteln zu dämpfen: mit On-Board-Bedien­ober­flächen, Sensoren und intelligenten Regelungs­algorithmen. Dabei sollte heraus­gefunden werden, inwieweit eine aktive Flatter­dämpfung neue Konstruktions­freiheiten bei der Reduzierung des Gewichts eines Flugzeugs eröffnet.

Das T-FLEX genannte UAV wurde im Rahmen eines früheren europäischen Forschungs­projekts – Flutter Free Flight Envelope eXpansion - konzipiert. Das Grundprinzip eines solchen Vorführmodells liegt darin, dass verschiedene Technologien schnell und sicher getestet werden können. Dies zu einem Bruchteil der Kosten, die das Anpassen eines fliegenden Verkehrs­flugzeugs erfordern würde, ohne Risiko für Menschenleben. Die zweite Version des UAV, P-FLEX, wurde zum Testen der aktiven Flatter­kontrolle verwendet. Als zusätzliche Sicherheits­einrichtung beim Flugtest war ein von den Piloten gesteuertes Flatter-Stoppersystem als zusätzliche Absicherung eingebaut.

Mit dem Flatter-Flugtest wird die kritische Bewertung der aero­dynamischen Stabilität eines Flugzeugs durchgeführt. Dabei unterliegt das Flugzeug kontrollierten und systematischen Tests zur Bewertung seiner Leistung bei unter­schied­lichen Flug­bedingungen. Der Flattertest ist ein wichtiger Meilenstein in der Zertifizierung eines jeden Flugzeugs, da damit das Flatterrisiko identifiziert und abgeschwächt wird. Mit der Flugtest­kampagne sollte die voraus­gesagte Open-Loop-Flatter­geschwindigkeit – das heißt, ohne den Einsatz aktiver Flatterregler – bestätigt werden. Außerdem wurden zwei aktive Regler zur Flatter­unter­drückung jenseits dieser Flatter­geschwindigkeit vorgeführt. Teams von allen Projektpartnern waren während der Testwoche anwesend.

Zu Beginn der Woche wurden die aero­elastischen Modelle anhand der jüngsten Schwingungs­test-Daten auf den neuesten Stand gebracht. Auf Grundlage dieser Modelle wurden verschiedene Analyse­methoden zur Validierung des voraus­sicht­lichen Flatterverhaltens und zu einer möglichst genauen Prognostizierung der tatsächlichen Flatter­geschwin­digkeit eingesetzt. Der Flatter­mechanismus umfasste eine konven­tionelle Biege-Torsions­kupplung, von der erwartet wurde, dass sie bei einer Fluggeschwin­digkeit von 56 Metern pro Sekunde instabil sein wird. Als Nächstes wurde das Modell dazu verwendet, die Regler mittels zahlreicher Simulationen zum Flugtest freizugeben.

Der Flugtestplan wurde auf Grundlage dieser Resultate zusammen­gestellt. Es wurde beschlossen, einen Open-Loop-Flugtest in konstanter Höhe mit zunehmender Fluggeschwin­digkeit durchzu­führen. Das Flugzeug wurde vorbereitet und mit dem Autopiloten konnte das Flugzeug die Sollgeschwin­digkeiten beibehalten. Die Ergebnisse der daten­gesteuerten Algorithmen vom Open-Loop-Flugtest bei bis zu 54 Meter pro Sekunde bestätigten das Auftreten des Kopplungs­phänomens zwischen der von den Simulations­modellen prognosti­zierten Symmetrie von Flügel­biegung und Flügel­torsion. Zudem hatte sich gezeigt, dass das Dämpfen des für das Flattern kritischen Modus die aeroelastische Dämpfung auf unter ein Prozent reduziert, was darauf hinweist, dass 54 Meter pro Sekunde tatsächlich genau am Rand des stabilen Flugbereichs lagen.

Der nächste Schritt bestand darin, die aktiven Flatterregler zu testen. Zwei unter­schied­liche aktive Flatter­regler wurden entworfen – eine strukturierte H-unendlich Regelung und eine H2-optimale Input-Output-Mischungs­steuerung. Es wurde entschieden, einen Flugtest für jeden Regler durch­zuführen, bei dem das Flugzeug über die prognos­tizierte Flatter­geschwin­digkeit von 56 Metern pro Sekunde fliegen sollte. Flughafen, Feuerwehr und das FliPASED-Team waren vorbereitet, dieses kalkulierte Risiko mit mehreren Notfallplänen für den Fall eines möglichen Misserfolgs einzugehen. Das Flugzeug hob am Freitag, den 26. Mai 2023, um 9.50 Uhr ab. Nach einer Überprüfung wurde das aktive Flatter-Kontroll­system eingeschaltet. Daraufhin wurde das Flugzeug sicher durch die Flatter­geschwin­digkeit geflogen. Beide Regler ließen das Flugzeug bis zu einer Geschwindigkeit von 61 Metern pro Sekunde fliegen, was weit über der kritischen Geschwindigkeit lag.

Es gab noch eine wichtige Frage: Erleidet das Flugzeug bei 56 Metern pro Sekunde tatsächlich das erwartete destruktive Flatter­phänomen? Daraufhin wurde die Entscheidung getroffen, über die prognos­tizierte Flatter­geschwin­digkeit hinaus ohne einen Regler zu fliegen. Dazu wurden erneut mehrere Sicherheits­protokolle eingerichtet. Als das Flugzeug während des Flugs aufgrund der äußerst turbulenten Witterung früher als erwartet 56 Meter pro Sekunde erreicht hatte, begann das Flugzeug zu flattern. Die achtern positio­nierten Flügelholme, die ursprünglich zur Auslösung des Flatter­phänomens installiert worden waren, gingen verloren. Dieser abschließende Flugtest bestätigte, dass die Regler sehr gut funktionierten und dass die aktive Regelung ein effektives Mittel sein kann, leichtere Flugzeug­strukturen vor Flatter­instabilität zu schützen.

Die Flugtests demonstrierten erstmals eine erfolgreiche aktive In-Flight-Flatter­dämpfung auf einem unbemannten Luftfahrzeug mit Charakte­ristiken ähnlich denen eines Verkehrs­flugzeugs. Zudem weist dies einen Technologie-Reifegrad auf, der seine Durch­führ­barkeit für Verkehrs­flugzeuge der nächsten Generation unter Beweis stellt.

Obwohl Flattern ein gefährliches und unerwünschtes Phänomen darstellt, sind Daten zu tatsächlichen Flatter­phänomenen äußerst selten. Daher ist das Projekt FliPASED zukunfts­weisend, indem es nicht nur Daten über Flug-Hardware- und Software-Tools veröffentlicht, die eine aktive Flatter­kontrolle, Simulation und Echtzeit­prognose nachweisen, sondern auch ein Open-Source-Depot mit Daten zu allen Flugtests bereitstellt. Ziel ist, anderen Technikern und Forschern somit die Möglichkeit zu geben, ihre Tools und Methoden zu entwickeln und zu validieren, die zum Fortschritt in diesem Forschungs­bereich führen.

DLR / RK

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