Flugzeugentwurf

Das Modul »Flugzeugentwurf« liefert die Grundlagen für den konzeptionellen Vorentwurf von Flächenflugzeugen. Hierbei sollen die Studenten in die Lage versetzt werden, anhand vorgegebender Randbedingungen einen Basisentwurf zu generieren.

 

Im Einführungskapitel wird der Entwicklungsprozess als Teil des Produktlebensdauerzyklus dargestellt. Weiterhin werden die Interessen und Einflüsse sämtlicher an einem Projekt beteiligten Parteien beleuchtet. In diesem Zusammenhang wird auch auf relevante Zulassungsvorschriften eingegangen. Im weiteren Verlauf beschränken sich die Betrachtungen auf den Konzeptentwurf als Teil des Vorentwurfs.

 

Zunächst wird das Auslegungsdiagramm, in welchem die grundsätzlichen Entwurfsparameter »Schub/Gewichtsverhältnis« F/G über »Flächenbelastung« G/S aufgetragen sind, allgemein vorgestellt. Im weiteren Verlauf werden aus gestellten Leistungsforderungen Grenzen des Auslegungsdiagramms entwickelt.

Im ersten Schritt werden die Punktleistungen (Steigfähigkeit, Beschleunigungsfähigkeit, max. Fluggeschwindigkeit, Dienstgipfelhöhe, durchgehaltene und maximale Wenderaten) hergeleitet, sowie die daraus entstehenden Grenzen im Auslegungsdiagramm bestimmt.

Die Betrachtung der Missionsleistungen erfordert zunächst eine Darstellung möglicher Missionsarten, sowie die Gliederung einer Mission in Missionssegmente.

Im weiteren Verlauf werden Start- und Landestrecke betrachtet. Eine Aufteilung in Teilsegmente erlaubt die Abschätzung der benötigten Roll- und Gesamtstrecken. Anschließend werden die sich aus dieser Betrachtung ergebenden Grenzen im Auslegungsdiagramm bestimmt.

Weitere Grenzen wie z. B. Böenlastvielfache, Mindeststeigwinkel bei Triebwerksausfall etc. werden behandelt und dem Auslegungsdiagramm hinzugefügt. Abschließend ergibt sich ein Auslegungsbereich möglicher Kombinationen der Parameter G/S und F/G in dem der Auslegungspunkt gewählt werden muss.

 

Anschließend an die Behandlung des Auslegungsdiagramms werden Reichweiten- und Warteflug, sowie die Reichweitenoptimierung behandelt.

Mithilfe der nun bekannten Zusammenhänge für Reichweiten-, Warte-, Steig- und Kurvenflug sowie einiger empirischer Ansätze für weitere Flugabschnitte wird mit der Fuel-Fraction-Methode eine Möglichkeit zur Bestimmung des Treibstoffbedarfs für eine vorgegebene Mission vorgestellt. Hiermit ergibt sich auch die Möglichkeit zur Bestimmung des Nutzlast-Reichweiten-Diagramms.

 

Durch iterative Anwendung der Fuel-Fraction-Methode ist nun eine Bestimmung der Abflugmasse für eine Auslegungsmission möglich. Somit können aus der Wahl des Auslegungspunkts die Größen für die Flügelfläche und den installierten Schub bestimmt werden.

 

Die bisherigen Betrachtungen hatten zum Ziel, die Grundlegenden Größen für die Erstellung einer Dreiseitenansicht zu bestimmen. In den weiteren Kapiteln werden die Auslegung von Flügel und Rumpf, die Dimensionierung von Leitwerk und Fahrwerk, sowie die Integration von Fahrwerk und Triebwerk behandelt. Hierbei wird insbesondere auf geometrische Randbedingungen sowie die Schwerpunktlage eingegangen.

 

Im nächsten Schritt wird die Bestimmung der Leermasse anhand von empirischen Formeln behandelt. Hierbei werden Teilmassen für einzelne Baugruppen bestimmt, so dass eine Festlegung des Gesamtschwerpunkts möglich wird.

 

Abschließend werden die bei einem Projekt entstehenden Kosten behandelt, welche für eine Wirtschaftlichkeitsprognose abgeschätzt werden müssen. Hierfür wird auf ein parametrisches Modell zurückgegriffen.

 

Der dritte Teil der Lehrveranstaltung befasst sich mit der Abschätzung der am Flugzeug angreifenden Kräfte, sowie deren Einfluss auf die Konfiguration. Hierbei werden zunächst die Gewichtsanteile betrachtet, welche in erster Linie einen Einfluss auf die mögliche Nutzlast sowie die erreichbare Reichweite haben. Anschließend werden die Entstehung von Auftrieb und Widerstand in den einzelnen Geschwindigkeitsbereichen erläutert sowie Abschätzungsmethoden dargelegt. Aus der Wirkungskette Gewicht-Auftrieb-Widerstand ergeben sich der benötigte Schub und der Leistungsbedarf. Auch hierfür werden Abschätzungsmethoden behandelt.