Bauhaus Luftfahrt Jahrbuch 2018

58 systems &
aircraft technologies
Eine vereinheitlichte
Bewertung von
Konzepten mit Grenzschichteinsaugung
In den vergangenen Jahren haben Flugzeugkonzepte
an Aufmerksamkeit gewonnen, die mithilfe
des „Wake filling“-Prinzips aus dem bisher ungenutzten
Potenzial schöpfen, das sich durch eine
stärkere Integration des Antriebssystems in die
Gesamtkonfiguration ergibt. Diesen Konzepten
mit grenzschichteinsaugenden Antrieben ist ein
besonders hoher Kopplungsgrad zwischen Aerodynamik-
und Antriebscharakteristiken zu eigen.
Klassische Vereinfachungen in der systemischen
Bewertung von Antrieben in Gondelanordnung
werden somit ungültig. In der Vergangenheit wurden
daher für unterschiedliche Konfigurationen
spezifische Methoden entwickelt, um den Vorteil
von Grenzschichteinsaugung zu quantifizieren.
Die meisten dieser Methoden können nicht ohne
Weiteres auf andere Konzepte und auf die verschiedenen
Phasen des Flugzeugvorentwurfes
angewandt werden. Unter diesen Gesichtspunkten
und dem fortschreitenden Detaillierungsgrad des
„Propulsive Fuselage Concept“ wurde im Rahmen
des EU-Forschungsprojektes CENTRELINE eine
Übersicht existierender Bewertungsmethoden
erarbeitet. Darauf aufbauend wurde ein Bewertungsansatz
entwickelt, der für die konzeptionelle
Bewertung der Eigenschaften unkonventioneller
Konfigurationen mit einer starken Kopplung
zwischen Antriebssystem und Flugzeugaerodynamik
universell anwendbar ist. Der Ansatz basiert auf
integraler Impulserhaltung in einem Nahfeld-
Kontrollvolumen. Die Methode ist mit Standard-
Flugzeug- und Antriebssystemauslegungsmethoden
kompatibel und kann unter bestimmten Annahmen
auf Berechnungsmethoden unterschiedlich hoher
Genauigkeit, wie zum Beispiel semiempirische
Methoden, numerische (CFD) oder experimentelle
Methoden, angewandt werden.
Darstellung des
CENTRELINE-
Konzeptes
Artist’s view of
the CENTRELINE
concept.
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This project has received
funding from the European
Union’s Horizon 2020 research
and innovation programme
under grant agreement
No. 723242.
A Unified Bookkeeping
Approach for
Boundary Layer
Ingestion Concepts
Targeting the exploitation of thus far unused vehicular
efficiency benefits, aircraft concepts with a
closely coupled propulsion-airframe integration,
such as boundary layer ingestion (BLI) configurations,
have gained much attention in the recent
past. These concepts feature a closely integrated
propulsion system and therefore exhibit a high level
of coupling between airframe aerodynamics and
propulsion system characteristics. Their performance
assessment cannot be based on an existing
bookkeeping scheme for a conventional aircraft
with separated airframe and propulsion system.
A number of bookkeeping approaches can be found
in literature that address this issue in various ways
for specific configurations and particular purposes.
Most are not easily applicable to other concepts or
to all phases of conceptual design. The increasingly
detailed investigation of a Propulsive Fuselage
Concept in the on-going project CENTRELINE drove
the need for a unified bookkeeping scheme. An
approach was developed that is able to integrate
results from numerical optimisation as well as
experimental assessment in an integrated sizing
and optimisation process, being able to consider
all closely coupled aerodynamic effects of BLI. The
bookkeeping scheme follows an integral momentum
conservation approach in a near field control volume.
It is universally applicable to coupled airframe-propulsion
aircraft concepts, compatible with
standard aircraft and propulsion system sizing
methods, and under certain assumptions deployable
for low- and high-fidelity evaluation methods, such
as semi-empirical methods as well as computational
fluid dynamics or physical testing results.