Methodology for modelling the dynamics of flexible, high-aspect-ratio aircraft in the time domain for aeroservoelastic investigations

In dieser Dissertation wird eine Methodik für die Modellierung der Dynamik flexibler Flugzeuge im Zeitbereich entwickelt, welche für aeroservoelastische Untersuchungen geeignet ist. Die Methodik erweitert die Bewegungsgleichungen des Starrkörpers mit der aeroelastischen Dynamik, und findet Anwendung für leicht flexible Flugzeuge großer Streckung in inkompressibler Strömung. Die notwendigen Daten für das aeroelastische Modell können anhand der Flugzeuggeometrie, der aerodynamischen Eigenschaften der Flügel und Leitwerken, und der ausgewählten elastischen Eigenformen erzeugt werden. Die elastischen Eigenformen können mit Hilfe von einem Standschwingversuch oder einem Finite-Element-Modell berechnet werden. Die Modellierung der Dynamik basiert auf der Annäherung der sogenannten mean axes, d. h. keine Inertialkopplung zwischen den elastischen Freiheitsgraden und denen der Starrkörperbewegung wird berücksichtigt. Die Strukturdynamik ist linear und basiert auf der Modalanalyse. Die inkrementellen aerodynamischen Kräfte aufgrund der elastischen Verformung werden anhand einer instationären Streifentheorie berechnet, die im Zeitbereich modelliert wird. Dafür werden die exponentielle Annäherung der Wagner-Funktion und die resultierenden aerodynamischen Verzögerungszustände angenommen. Instationäre Windeffekte werden gleichermaßenmit Hilfe der exponentiellen Annäherung der Küssner-Funktion modelliert. Drei-dimensionale Effekte an der Flügelspitze werden durch die quasi-stationäre Zirkulationsverteilung berücksichtigt. Die Methodik wird am Beispiel des Motorseglers STEMME S15 Prototyp demonstriert, eines experimentellen Flugzeugs für das ein zuverlässiges und hochpräzises Regelungssystem im Projekt LAPAZ entwickelt wird. Aeroelastische Stabilitätsanalysen mit der hier entwickelten Methodik haben eine gute Übereinstimmung mit dem kommerziellen Software ZAERO erzielt, und ein Fehler von 5% in der Berechnung der Flatterngeschwindigkeit wurde erreicht. Aeroservoelastische Analysen wurden durchgeführt, um den Einfluss der Elastizität abhängig von der Sensorposition auf die Stabilität des geregelten Flugzeuges zu demonstrieren. Die Validierung der Methodik wird mit Flugversuchen durchgeführt. Simulationsergebnisse haben eine sehr gute Übereinstimmung mit Flugversuchsdaten, was die Anwendung dieser Methodik für aeroservoelastische Untersuchungen für diese Kategorie von Flugzeugen begründet. Außerdem wurde gezeigt, dass die ausgewählten Manövers in der Validierung von Simulationsmodellen flexibler Flugzeuge sehr wirksam sind.