Konzeptentwurf und -modellierung komplexer energieeffizienter Flugsysteme unter Nutzung eines fortschrittlichen morphologischen Ansatzes

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Bardenhagen
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Verkehrs- und Transportsysteme, Intelligenter und automatisierter Verkehr
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443831887

Innerhalb der drei Phasen des Flugzeugentwurfs (Konzept, Vorentwurf und Detail) ist die Konzeptentwurfsphase die herausforderndste: Eine Vielzahl komplexer Entscheidungen bezüglich der Flugzeugkonfiguration (z. B. Tragflügel-Rumpf-Anordnung, Antriebsgruppe, Materialien) müssen getroffen werden, die eine langfristige irreversible Auswirkung haben. Die meisten Entscheidungen besitzen einen binären Charakter (z. B. Position der Triebwerke, des Leitwerk, der Flügel-Faltung) und zu Beginn liegen ihnen nur wenige detaillierte Informationen zu Grunde. Es muss zunächst ein robuster Lösungsraum gefunden werden, um die Vorentwurfs- und Detaillierungsphase erfolgreich beginnen zu können. Selbst moderne MIP-Löser (Mixed-Integer Programming) sind nicht in der Lage, adäquate Lösungen in diesem im Allgemeinen nicht konvexen Lösungsraum bereitzustellen.Ziel dieses Forschungsprojekts ist es daher, einen Ansatz zur systematischen Identifizierung eines robusten Lösungsraums unter Verwendung des fortgeschrittenen morphologischen Ansatzes als numerische Methode für die systematische Synthese neuer Flugzeugkonfigurationen und Modellierung bereitzustellen. Das spezifische Problem, das mit diesem Ansatz gelöst werden soll, besteht in der Ermittlung eines Lösungsraums für Konfigurationen, die die höchsten Anforderungen an bemannte und unbemannte komplexe energieeffiziente Flugsysteme mit reduzierter Umweltbelastung - reduziertem Treibstoffverbrauch, Fluglärm und besserer Energieeffizienz - erfüllen. Der Lösungsraum muss die Auswirkungen von Parameterunsicherheiten (z. B. Kraftstoffpreis) sowie Ergebnisse von Expertenberatungen enthalten, die den vorgeschlagene fortgeschrittenen morphologischen Ansatz unterstützen. Der bestmögliche Lösungsraum ergibt sich aus einer Auswahl von Clustern möglicher Lösungen unter Berücksichtigung ihrer Empfindlichkeit gegenüber Parametervariationen (d.h. Unsicherheiten) und ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Änderungen einzelner Parametersätze.Der im Rahmen dieses Forschungsvorhabens zu untersuchende Ansatz umfasst die Analyse der zugrunde liegenden Struktur des technischen Problems sowie die entsprechende Synthese, parametrische Modellierung und multidisziplinäre Optimierung in der Konzeptphase. Die Besonderheiten des Struktursyntheseprozesses ermöglichen es, die Diskriminanz von Variablen, das Vorhandensein von bedingt logischen Einschränkungen und die Notwendigkeit, mit mehreren widersprüchlichen Kriterien zu arbeiten, zu berücksichtigen. Die gezielte Variation von Kennwerten für Konfigurationsvarianten verbessert die Ausgangswerte. Die Implementierung und Verwendung von Clusteranalyse, Mengenlehre und definierten Regelwerken ermöglicht die Identifizierung von Clustern innovativer Flugzeugkonfigurationen, die ein hohes Leistungspotential mit einer Robustheit hinsichtlich Anforderungsänderungen und Konstruktionsunsicherheiten unter Berücksichtigung probabilistischer Aspekte im Projekt verbinden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen