DLR-onderzoeksvliegtuig: 400 vliegende manoeuvres voor de wetenschap

Het ISTAR-onderzoeksvliegtuig is begonnen met de wetenschappelijke operatie. ISTAR-vluchten (Airborne Research Systems and Technologies) richten zich op de vluchtmechanische en vluchtdynamische kenmerken van een omgebouwde Dassault Falcon 2000LX. Nieuwe sensoren meten het gedrag van het vliegtuig tijdens speciale vliegmanoeuvres. Met de resultaten ontwikkelt het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR) de digitale tweeling van ISTAR en helpt het vliegtuigen energiezuiniger te maken. De digital twin is het exacte virtuele beeld van het vliegtuig op de computer.

De vluchtmanoeuvres en grondtesten brengen data van nieuwe meettechnologieën in combinatie met state-of-the-art simulatietools. De projectleider, dr. Heiko von Geyr van het DLR Instituut voor Aerodynamica en Flow Technology in Braunschweig. ISTAR moet het niet alleen realistisch kunnen testen in een vluchtsimulator. Het doel van het HighFly-project (High Speed ​​​​Inflight Validation) is om verschillende processen te combineren: “Hierdoor kunnen we structurele vervorming, stroming en versnelling op elk punt van ISTAR op elk moment voorspellen”, legt Heiko von Geyr uit. Voordat onderzoekers het gedrag van het vliegtuig realistisch in kaart kunnen brengen op een computer, moeten ze rekenmodellen vergelijken met meetresultaten en verder ontwikkelen. “Alleen dan kunnen we zeggen dat het vliegtuig zich precies zo gedraagt ​​als in werkelijkheid op een computer.”

ISTAR stijgt sinds eind februari 2023 op vanaf de luchthaven bij de DLR-vluchtmeetlocatie Braunschweig. Het vliegtuig is in het verleden omgebouwd en voorbereid voor het project voor wetenschappelijke doeleinden. Bijna 400 manoeuvres met verschillende snelheden, hoogtes en dynamiek werden uitgevoerd in gereserveerd luchtruim in Mecklenburg-Vorpommern. Met behulp van een digitale tweeling kunnen toekomstige onderzoekers nieuwe vliegtuigontwerpen in een relatief vroeg stadium computertesten en beoordelen of de veranderingen de eigenschappen en het vlieggedrag van het vliegtuig zullen beïnvloeden. Naast virtuele vluchttesten houden de wetenschappers ook rekening met op simulatie gebaseerde certificeringen voor de lange termijn. Dit zou tijdrovende en kostbare goedkeuringsprocedures in de luchtvaart kunnen versnellen.

Het HighFly-project kijkt naar veranderingen in vliegmanoeuvres

Om te kunnen meten hoe de stroming op de vleugels verandert tijdens verschillende vliegmanoeuvres en hoeveel de vleugels tijdens de vlucht vervormen, brachten de onderzoekers een gepixeld folie aan op de linkervleugel. Van dichtbij zijn de punten deels rond en deels langwerpig. Alle punten zien er hetzelfde uit voor camera’s die vanuit de binnenkant van de romp onder een bepaalde hoek naar de vleugel kijken. Terwijl de vleugels tijdens de vlucht buigen, registreren de camera’s de verandering in de locatie van de punten. Zo wordt de lokale vervorming van de vleugel bepaald.

Sensoren zijn verdeeld op en onder de rechtervleugel. MEMS-sensoren (Micro Electromechanical System) meten met hoge nauwkeurigheid en hoge frequentie de druk- en temperatuurverdeling tijdens vliegproeven. “MEMS is een volledig nieuwe ontwikkeling als onderdeel van het project en wordt hier voor het eerst gebruikt in het transsonische snelheidsbereik onder reële vluchtomstandigheden”, zegt Heiko von Geyr. In het transsonische bereik vliegt het vliegtuig langzamer dan de geluidssnelheid, maar de luchtstroom rond het vleugelprofiel bereikt op sommige plaatsen nog steeds een supersonische snelheid. Dit leidt tot een zeer complexe flow met drukschokken, die betrouwbaar moeten worden geregistreerd door MEMS-sensoren.

Daarnaast zijn er drie MEMS-sensoroppervlakken in de buurt van de cockpit geïnstalleerd. Ze meten drukfluctuaties in de dunne grenslagen die hier ontstaan ​​door de vorm van de straal. De MEMS-sensoroppervlakken zijn ontwikkeld door het DLR Instituut voor Aerodynamica en Flow Technology in Göttingen.

waardevolle databank

Testpiloten gebruiken ISTAR om nauwkeurig gedefinieerde manoeuvres te vliegen op 11.000, 25.000, 35.000 en 45.000 voet. Dit komt overeen met hoogtes van ongeveer 3350, 7620, 10670 en 13720 meter. Computers in de cabine slaan alle meetwaarden op. Vervolgens vergeleken de onderzoekers de schat aan data met de resultaten van numerieke simulaties. Hiervoor zijn supercomputers zoals de clusters CARO en CARA van de DLR essentieel. “Met onze metingen bestrijken we het hele bereik van transsonische vluchten tot aan de grenzen van wat gevlogen kan worden. De combinatie van meettechnieken maakt deze database zo uniek en waardevol”, legt Heiko von Geyr uit.

Wetenschappers van het DLR Institute for Aeronautical Systems voerden ook PID-vluchten (Parameter Determination Flights) uit als onderdeel van het HighFly-project. Dit resulteert in het ISTAR flight dynamics simulatiemodel. Dit kan vervolgens worden gebruikt in een vluchtsimulator zoals AVES (Air Vehicle Simulator). “Op deze manier kunnen we nieuw ontwikkelde vluchtbesturings- en assistentiesystemen eerst in de simulator testen voordat we ermee beginnen”, zegt Christian Raab van het DLR Institute for Flight Systems.

Aardingstests voor digitale tweelingen

Op de grond voerden onderzoekers van het DLR Institute for Aeroelasticity in de zomer van 2021 grondtrillingstests (GVT) en taxitrillingstests (TVT) uit. Mark Boswald van het DLR Instituut voor Aerobe Flexibiliteit. Vliegtuigen hebben geen rigide structuur. Om veilig te kunnen vliegen moet er rekening gehouden worden met flexibiliteit.

In GVT is de ISTAR ingesteld om te trillen. Meer dan 200 extra sensoren hebben ISTAR-interacties gemeten en gemodelleerd. Op TVT werd ISTAR over de landingsbaan getrokken. Een oneffen ondergrond veroorzaakt trillingen via het chassis. Tijdens de huidige vluchten hebben de wetenschappers ook de pneumatische elastomeereigenschappen van ISTAR gecontroleerd met behulp van nieuw ontwikkelde methoden. In de toekomst kunnen deze tests mogelijk ook worden uitgevoerd met behulp van een digitale tweeling.

Het DLR Institute of Aerodynamics and Flow Technology heeft ook de stroom naar de motor gemeten met behulp van deeltjesbeeldsnelheidsmetingen (PIV) voor verschillende stuwkrachtinstellingen. De motorstroom beïnvloedt de aerodynamica van de ISTAR. De specifieke gegevens van de digitale tweeling worden ook verstrekt.

ik ster

ISTAR (Airborne Systems and Technologies Research) maakt sinds 2019 deel uit van de onderzoeksvloot van DLR. Het zal in verschillende fasen worden uitgebreid. Medio 2020 zal het volledig operationeel zijn als vluchtsimulator en vluchtdigitalisering introduceren. Wanneer ISTAR volledig ontwikkeld is, zal het in staat zijn om de eigenschappen van nieuwe vliegtuigontwerpen in echte of virtuele vorm te testen. De digital twin begeleidt ISTAR gedurende zijn gehele levensduur. Het onderzoeksvliegtuig is gestationeerd op de DLR-vluchttestlocatie in Braunschweig, waar het deel uitmaakt van de grootste civiele onderzoeksvloot van Europa.

Bron: PM DLR