Aerodynamic and aeroelastic amplification in adaptive belt-rib airfoils

Das Gürtelrippenkonzept für Tragflächen mit veränderlicher Wölbung wurde am DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) im Rahmen des Projekts Adaptiver Flügel (ADIF) entwickelt. Es basiert auf der Ausnutzung der Strukturflexibilität zur Erzeugung der notwendigen großen Verformungen als Alternative zur Verwendung konventioneller Mechanismen. Das Gürtelrippenkonzept implementiert eine neuartige Entwurfsphilosophie für leichte und formadaptive Strukturen, die den Hauptanforderungen der Verformbarkeit, der Belastbarkeit und des geringen Gewichtes explizit Rechnung trägt. Unter den verschiedenen Möglichkeiten zur Aktivierung einer Gürtelrippenstruktur gestaltet sich die Verwendung multifunktionaler Materialien wie Piezokeramik oder Formgedächtnislegierungen als besonders reizvoll, insbesondere deshalb, weil sie wie die Struktur auf Festkörperelementen basiert und keine beweglichen Bauteile erfordert. Allerdings stoßen Festkörperaktuatoren beim aktuellen Stand der Technik aufgrund der Leistungsanforderungen (hohe zu liefernde mechanische Arbeit, insbesondere bei hohen Luftlasten) an ihre Grenzen. Eine viel versprechende Lösung besteht darin, aerodynamische sowie aeroelastische Verstärkungseffekte zur Verringerung der Nettoanforderungen an die vom Aktuatorsystem zu liefernde mechanische Energie zu nutzen. Im vorliegenden Beitrag wird eine Studie über diese Effekte vorgestellt. Bei der Beschreibung der Mechanik der Tragfläche wird eine modale Betrachtungsweise herangezogen. Sie erlaubt trotz der grundlegenden Unterschiede in der Konstruktionsphilosophie eine Anwendung sowohl auf die herkömmliche, mit Wölbklappen ausgestattete Tragfläche als auch auf die Gürtelrippentragfläche. Die aerodynamischen Verstärkungseffekte werden anhand des so genannten aerodynamischen Verstärkungsfaktors beschrieben, der von der Tragflächenkinematik sowie von der Verteilung der aerodynamischen Lasten abhängt. Quantifiziert werden die aerodynamischen Verstärkungseffekte für den Fall der ADIF-Bezugsstruktur, in Form der Landeklappe des AIRBUS A340. Ferner werden aeroelastische Verstärkungseffekte anhand eines aeroelastischen Verstärkungsfaktors untersucht, der in der vorliegenden Arbeit als Funktion geeigneter Struktur- und Aerodynamikoperatoren definiert wird. Der Beitrag schließt mit einigen Betrachtungen über den Bezug dieser Studie zum aktuellen Stand der Forschung sowie über Perspektiven, welche die Nutzung der vorgestellten Effekte eröffnet.