Preliminary Design of Propeller-Driven Aircraft with Active High-Lift System

Beschreibung

Kurzfassung Mit dieser Arbeit soll der Einfluss einer aerodynamischen Berücksichtigung von Propellertriebwerken auf die Lösung der Vorentwurfsaufgabe für Propellerflugzeuge mit aktivem Hochauftrieb untersucht werden. Dazu wird ein bestehendes multidisziplinäres Vorentwurfsverfahren um entsprechende Darstellungen von Propellerantrieb und aktivem Hochauftrieb erweitert. Die Kombination beider Technologien verspricht eine Verminderung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen, sowie eine Ausnutzungssteigerung bestehender Flughafenkapazitäten. Die methodischen Erweiterungen umfassen die Integration eines kommerziellen aerodynamischen Panelverfahrens, das eine Darstellung von Triebwerksströmungen erlaubt, sowie die Entwicklung von Methoden zur Vorhersage von Maximalauftrieb und Ausblasaufwand von intern ausgeblasenen Coandă-Klappen (IBF). Die Implementierung eines Verfahrens zur Panelmodellerzeugung ermöglicht eine volumetrische Darstellung der Flugzeugoberfläche mit Triebwerksgondeln und ausgefahrenen Hochauftriebsmitteln. Maximalauftrieb und Ausblasaufwand werden durch eine Inbezugsetzung von 3D-Panelmodell und 2D-RANS-Profildaten bestimmt. Zudem wird eine Variante eines auf den Methoden der Finiten Elemente und des Fully Stressed Designs basierenden Massenabschätzungsverfahrens identifiziert, die ein Auffinden massenkonvergenter und zulässiger Strukturentwürfe erlaubt. Es werden zwei Varianten des vorliegenden Aerodynamikmodells, d.h. ohne und mit Darstellung des Propellers, mit entsprechenden Varianten eines 3D-RANS-Modells für ein Propellerflugzeug mit IBF-Hochauftrieb verglichen. Bezüglich der 3DRANS-Referenz zeigt sich eine ausreichende Übereinstimmung von aerodynamischen Kräften und Momenten unter symmetrischen Reiseflug- und Landeflugbedingungen ohne Propellerberücksichtigung, sowie unter symmetrischen Reiseflugbedingungen mit Propellerberücksichtigung. Für die betrachteten symmetrischen Landeflugfälle mit Propellerberücksichtigung ergibt sich eine mittlere Auftriebsabweichung von 20%. Bezüglich Maximalauftrieb und Ausblasimpulsbeiwert der betrachteten Landeflugfälle ergeben sich aus beiden Modellvarianten Maximalabweichungen zur RANS-Referenz, von 8.6%, respektive 2%. Für beide Modellvarianten zeigt die Betrachtung asymmetrischer Flugfälle deutliche Abweichungen in den ermittelten lateralen Kraft- und Momentenbeiwerten zur RANS-Referenz auf. Daher wird die Analyse kritischer Flugfälle zur Seitenleitwerks- und Querruderdimensionierung mit einem außerhalb dieser Arbeit implementierten Handbuchverfahren durchgeführt. Das erweiterte Vorentwurfsverfahren wird für die Analyse verschiedener Varianten eines Propellerflugzeugs mit IBF-Hochauftrieb eingesetzt. Die Varianten beschreiben unterschiedliche Triebwerkspositionen, Flügeleinbauwinkel und Querruderweiten. Die Analysen werden jeweils ohne und mit aerodynamischer Propellerberücksichtigung durchgeführt. Die Berücksichtigung des Propellers resultiert in verminderten Reisefluggleitzahlen, Zunahmen von Rumpfmasse und Maximalauftrieb, sowie in verminderten Landbahnlängen. Es ergeben sich Änderungen von −0.1% bis +6% in der Betriebsleermasse, von −0.2% bis +5% in der maximalen Abflugmasse, sowie von −2% bis +7% in den direkten Betriebskosten.

Autor*in

Tayson William Weiss

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