Definition

Aktive Morphingtechnologien beziehen die notwendige Formänderungsenergie aus einer separaten, zu diesem Zweck mitgeführten Energiequelle. Somit wird für das aktive Morphen stets eine Energiequelle, wie beispielsweise Batterien, oder chemische Energieträger benötigt. Über entsprechende Aktoren erfolgt die Umsetzung der elektrischen oder chemischen Energie in mechanische Formänderungsenergie. Notwendiges Merkmal aktiven Morphens ist weiterhin die Notwendigkeit einer aktiven Steuerung des Morphingmechanismus.

Beispiele

• Wölbungsänderung des Profils durch Linearaktoren, die dauerhafte Energiezufuhr benötigen.
• Änderung des Flügelprofils durch Rotationsmechanismen, die während des gesamten Formänderungsvorgangs Energiezufuhr benötigen.

Entwurfsoptimierung

Für den Entwurf aktiv morphender Flügel wird eine Methode zur multidisziplinären Mehrzieloptimierung entwickelt. Diese dient der Auslegung und Optimierung aktiv morphender Flügelprofile unter aerodynamischen und strukturellen Aspekten. Erforderlich ist dies aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung des strukturellen Verhaltens, der aerodynamischen Güte und der Aktuierung aktiv morphender Flügel.

Ziel der Entwurfsoptimierung ist die Erstellung aktiv morphender Flügelprofile, die eine derartige Verformung ermöglichen, dass der Widerstand über mehrere variierende Flugzustände reduziert wird. Weiterhin erfolgt eine Minimierung der Strukturmasse und eine Maximierung der aerodynamischen Robustheit der Strukturentwürfe.

Als möglichst allgemeine Beschreibung aktiv morphender Flügelprofile wird die Innenstruktur durch aktive und passive Strukturelemente beschrieben. Dabei können die aktiven Strukturelemente als Linearaktuatoren mit variabler Dehnung in Form von Expansion und Kontraktion interpretiert werden.

Für die spätere Umsetzung sind als Linearaktuatoren, neben konventionellen Technologien wie Hydraulik-, Pneumatik- oder Elektrozylinder, intelligente Werkstoffe denkbar.

Im Rahmen der Entwurfsoptimierung erfolgt die Optimierung der Innenstruktur, die Anordnung der aktiven Elemente und die Anpassung der Außenhautdicke, sodass eine integrale nachgiebige Struktur entsteht, die für mehrere Flugzustände eine widerstandsoptimale Formanpassung erlaubt.

Hierfür findet das hauseigene Optimierungsprogramm GEOpS² des Lehrstuhles für Luftfahrzeugtechnik der Technischen Universität Dresden Anwendung. Dieses basiert auf Evolutionären Algorithmen und erlaubt die Ein- und Mehrzieloptimierung von Optimierungsproblemen bestehend aus Ganzzahl- und Gleitkommazahlvariablen. Das Strukturverhalten unter Aktuierungs- und aerodynamischen Lasten wird über eine zweidimensionale Finite-Elemente-Simulation durch den hauseigenen Finite-Elemente-Löser FiPPS² modelliert. Dabei erfolgt die Einbeziehung der aerodynamischen Lasten durch eine Fluid-Struktur-Interaktion, wobei als Strömungslöser das viskose-nichtviskose Panel-Programm Xfoil zum Einsatz kommt.

Als Ergebnis der Mehrzieloptimierung resultieren Pareto-Fronten, die die Gesamtheit der Optima darstellt und eine Auswahl konkreter Entwürfe durch Gewichtung der einzelnen Zielfunktionswerte erlaubt.

Es zeigt sich, dass die resultierenden Strukturentwürfe eine widerstandsreduzierte Verformung über die vorgegebenen Flugzustände ermöglichen.

In nachfolgenden Arbeitsschritten erfolgt die Übertragung des zweidimensionalen aktiv morphenden Flügelprofils auf die dritte Dimension und eine Zusammenführung mit dem passiv morphenden Flügelkonzept zu einem hybrid morphenden Flügel.