Preliminary overall aircraft design with hybrid laminar flow control

Risse, Kristof; Schröder, Wolfgang; Stumpf, Eike

doi:35690

Preliminary overall aircraft design with hybrid laminar flow control = Vorentwurf von Flugzeugen mit hybrider laminarer Strömungskontrolle

Risse, Kristof^RWTH*

2016 & 2017

VerantwortlichkeitsangabeKristof Risse

ImpressumAachen : Shaker 2016

UmfangXXX, 200 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-8440-4950-3

ReiheBerichte aus der Luft- und Raumfahrttechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Druckausgabe: 2016. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stumpf, Eike (Thesis advisor) ; Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-08-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2017-009749
DOI: 10.18154/RWTH-2017-00974
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/682719/files/682719.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/682719/files/682719.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

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

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Flugzeugentwurf (frei) ; Aircraft Design (frei) ; Wing Design (frei) ; Hybrid Laminar Flow Control (frei) ; HLFC (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Flugzeuggesamtentwurf und der Anwendung hybrider laminarer Strömungskontrolle (HLFC) auf Flügel und Leitwerke. Hierzu wird eine rechnergestützte Methodik vorgestellt, die die bestehende Lücke zwischen dem Flugzeugvorentwurf und den detaillierten Aufgaben des aerodynamischen Laminarflügelentwurfs und der Auslegung des Absaugsystems schließt. Verglichen mit dem Stand der Technik ergibt sich die wichtige neue Fähigkeit, im Zuge automatisierter Flugzeugentwurfsstudien die spezifischen Einflüsse von Transitionsmechanismen und transsonischem Widerstand zugespitzter Pfeilflügel sowie der Systemintegration mitzuberücksichtigen.Die entwickelte Flugzeugentwurfsumgebung MICADO (Multidisciplinary Integrated Conceptual Aircraft Design and Optimization) basiert auf einer flexiblen Softwarearchitektur mit verschiedenen Programmen, die nach einer konsistenten Entwurfslogik ablaufen. Wichtige Elemente für den HLFC-Flugzeugentwurf sind ein thermodynamisches Triebwerksmodell mit Sekundärleistungsentnahme, Berechnungsmethoden für Aerodynamik und Massen des Gesamtflugzeugs sowie ein detailliertes Modell zur Missionssimulation.Zur Einbindung des aerodynamischen HLFC-Flügelentwurfs in den Gesamtentwurf werden ein quasi-dreidimensionaler Ansatz und eine Datenbank mit für verschiedene Entwurfspunkte voroptimierten HLFC-Profilen kombiniert. Die iterative robuste Widerstandsberechnung verbindet ein Euler-Grenzschicht-Verfahren und eine Transitionsvorhersagemethode (einschließlich Querströmungsinstabilitäten) mit geeigneten Transformationen für den zugespitzten Pfeilflügel. Ausgelegte Druck- und Absaugverteilungen werden für die Bestimmung der benötigten Leistung und der Masse des Absaugsystems verwendet.Die Gültigkeit der Gesamtmethodik wird anhand ihrer Anwendung zur Auslegung eines Langstreckenflugzeugs demonstriert. Hierbei werden die wichtigen Einflüsse iterativer Massenzunahme und Komponentenauslegung sowie der Treibstoffplanung für den Ausfall der Laminarität während des Fluges quantifiziert. Das bedeutende Treibstoffeinsparpotential der HLFC-Technologie wird durch die Entwurfsstudien bestätigt; es kann außerdem weiter ausgeschöpft werden durch die integrierte Optimierung von HLFC-Flügelgeometrien für einen maximalen Nutzen im Sinne des Gesamtentwurfs.

This thesis deals with preliminary overall aircraft design including hybrid laminar flow control (HLFC) on wings and tails. An integrated methodology and software framework is developed that closes the gap between conceptual aircraft design capabilities and the detailed design tasks of HLFC aerodynamic wing design and HLFC system sizing. The key new achievement of the proposed approach compared to the current state of the art is its capability to perform overall aircraft design studies, while simultaneously capturing the specific influences of different transition mechanisms and transonic drag on swept-tapered wings, as well as the integration of the suction system into the wing.The "Multidisciplinary Integrated Conceptual Aircraft Design and Optimization" (MICADO) framework constitutes the basis for this integrated approach. MICADO consists of a consistent and flexible software architecture, a requirement-driven overall design philosophy, and several loosely-coupled program modules. Most significant elements for HLFC aircraft design are a thermodynamic engine model including secondary power extraction, overall-aircraft drag and mass prediction, and detailed mission performance simulation.The incorporation of HLFC aerodynamics into overall aircraft design is solved by a quasi-three-dimensional wing design approach, and a database containing multi-point optimized HLFC airfoils at different design conditions. An Euler/boundary-layer and a transition prediction code (including cross-flow instabilities) are combined with appropriate sweep-taper transformations into an iterative and robust drag prediction method for transonic HLFC wings. Both pressure and suction distributions are taken into account for automated estimation of power requirements and component masses of the suction system. Applicability and validity of the proposed HLFC aircraft design approach are demonstrated for a long range passenger aircraft. Influences of mass snowball effect, component resizing, and conservative fuel planning for in-flight loss of laminarity are quantified in terms of block fuel and other key design parameters. The significant fuel saving potential of HLFC is confirmed, and further exploited by the integrated design and optimization of HLFC wing geometries for maximum overall aircraft benefit.

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