Integration of aircraft systems into conceptual design synthesis

Lammering, Tim; Stumpf, Eike

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-50488

Integration of aircraft systems into conceptual design synthesis = Integration von Flugzeugsystemen in den Flugzeugvorentwurf

Lammering, Tim (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tim Lammering

ImpressumAachen 2014

UmfangXXVIII, 173 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stumpf, Eike (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-05-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-50488
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229107/files/5048.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) (415310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Luftfahrttechnik (Genormte SW) ; Flugzeug (Genormte SW) ; Entwurf (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Flugzeugsysteme (frei) ; Flugzeugvorentwurf (frei) ; Flugzeugentwurf (frei) ; Technologieintegration (frei) ; aircraft (frei) ; system (frei) ; conceptual design (frei) ; technology assessment (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Methode zur Modellierung von Flugzeugsystemarchitekturen im Rahmen des Flugzeugvorentwurfs. Die Anwendung der Methode erlaubt bereits frühzeitig innovative Systemtechnologie auf Flugzeugebene zu bewerten und schließt damit eine existierende Lücke im heutigen Vorgehen. Die beschriebene Methode nutzt einen streng funktionsbasierten Ansatz um die einzelnen Flugzeugsysteme in Abhängigkeit der dedizierten Flugzeugfunktionen auszulegen. Gewicht sowie maximale und missionsabhängige Leistungsaufnahmen werden für die einzelnen Systeme bestimmt. Hierbei spielt das Prinzip der Energiebilanzierung eine entscheidende Rolle. Es wurde ein variabler und modularer Ansatz gewählt, der die Untersuchung großer Parameterräume in Bezug auf die gewählte Systemarchitektur erlaubt. Weiterhin wurde ein probabilistischer Ansatz eingeführt, der speziell die Einbindung innovativer Systemtechnologie erlaubt und bestehende Unsicherheiten mit in die Technologiebewertung einfließen lässt. Das entwickelte Systemmodell wurde direkt in die Flugzeugvorentwurfsumgebung MICADO des Instituts für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) integriert. Wechselwirkungen und Schneeballeffekte der Systemintegration können so bereits früh im Flugzeugvorentwurf auf Flugzeugebene abgebildet werden. Damit dient das entstandene Systemmodell zur umfassenden und ganzheitlichen Technologiebewertung. Das Systemmodell wurde mit Hilfe von zwei Verkehrsflugzeugen validiert. Außerdem zeigen umfassende Sensitivitätsstudien die Haupteinflüsse auf die Systemmodellierung sowie auf die resultierende Systemarchitektur auf. Ferner wird der Mehrwert der Integration des Modells in den Flugzeugvorentwurf mit Hilfe von zwei Anwendungsbeispiele aufgezeigt. Im Rahmen des ersten Anwendungsbeispiels wird der Einfluss der Systemleistungsentnahme auf die Flugzeugeffizienz und Flugleistung diskutiert. Das zweite Anwendungsbeispiel beschäftigt sich mit der Integration innovativer Systemtechnologie in das Flugzeug sowie mit der Anwendung des probabilistischen Modellansatzes. Der Nutzen einer Bewertung unter Berücksichtigung der bestehenden Unsicherheiten wird dabei aufgezeigt.

In the scope of this thesis, a methodology for modeling of entire system architectures of commercial transport aircraft is presented. The author's approach facilitates technology assessment of innovative system technology on aircraft-level in conceptual and early preliminary aircraft design. It closes the existing gap of sound systems modeling in early aircraft design synthesis. The proposed methodology uses a strictly function-driven approach for sizing of the single aircraft systems according to the dedicated aircraft-level functions. System weight and maximum as well as mission dependent power off-takes are estimated. The principle of energy balance is used to derive the power demand of the single systems. A modular and flexible approach has been chosen that allows for fast variation of the system architecture. Thus, investigation of large design spaces is possible. For integration and assessment of innovative systems technology, a probabilistic framework is introduced that incorporates remaining uncertainties. The proposed system model has been integrated into the Institute's of Aeronautics and Astronautics (ILR) Multidisciplinary Integrated Conceptual Aircraft Design and Optimization (MICADO) environment. Thus, repercussions of system integration, e.g. on aircraft efficiency or performance, can be captured in a highly integrated environment. The proposed systems model is a valuable tool for sound assessment of innovative system technology on overall aircraft-level already in conceptual aircraft design. The proposed systems model has been validated against two commercial transport aircraft. Additionally, comprehensive sensitivity studies show dependencies and identify the main design drivers of the single systems. Two case studies show the added-value of integration of the proposed systems model into early aircraft design synthesis. The first case study concentrates on evaluation of the impact of engine power off-takes on aircraft performance and efficiency. The second design study focuses on integration of innovative technology into the overall system architecture and on application of the proposed probabilistic framework for considering the remaining uncertainties in design and technology assessment.

Fulltext:
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