Funktionsintegrierte Hochauftriebsstrukturen Anforderungen und Handlungsfelder

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1 Dr. Eberhard Greff Vice President Wing High-Lift Design A350XWB Funktionsintegrierte Hochauftriebsstrukturen Anforderungen und Handlungsfelder Siebter Wissenschaftstag des Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik am 30. September 2010 DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_300910

2 Gliederung Prozeßkette Hochauftrieb und Technologieziele Optimierung Klassische High-Lift Konfiguration Smarte Konfigurationen mit Strömungskontrolle Konfigurationen zur Unterstützung der Laminarisierung DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 2

3 Die Bedeutung des Hochauftriebssystems Vogel im Langsamflug Vogel im Reiseflug... im Reiseflug A380 Kinematik Innenklappe Vorflügel Start Bedeutung des Hochauftriebs Jedes moderne Verkehrsflugzeug benötigt ein Hochauftriebssystem. Dies basiert auf den divergierenden Anforderungen beim Start hohen Auftrieb mit möglichst geringem und bei der Landung möglichst hohen Widerstand zu erzeugen. Verschiedenste Konzepte sind hier seit Beginn des Menschenflugs umgesetzt worden. In modernen Verkehrsflug- zeugen sind heute elektrohydraulisch angetriebene Vorflügel und Lande- klappen mit hoher Zuverlässigkeit Stand der Technik. Zur Erhöhung der Flugfrequenz und Lärmreduktion sind neue Funktionalitäten am Flügel von Nöten! => Eine erste Anwendung ist die A350 Adaptive Dropped Hinge Flap Start Hochauftriebshilfen an einem A340 Flügel A380 Kinematik Außenklappe Landung Klappenseitenkanten Spalte DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 3

4 Vision 2020 : Herausforderungen für zukünftige Flugzeuge by 2020 all new Airbus aircraft entering the market would produce 50 per cent less CO2 80 per cent less Nox 50 per cent less perceived noise than levels in 2000! * Zur Erreichung der ambitionierten Umweltziele sind Widerstands- und Lärmreduktion unverzichtbare Beiträge des Zellenherstellers ouis Gallois, International Paris Air Show Le Bourget, ba ased on ACARE Vision 2020 *L DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 4

5 Process Chain for Wing High Lift in Bremen Strategic Procurement $/ Manufacturing engineering Wing Equipping / High Lift Verification tests Delivery to final assembly line Design engineering Structure R&T Engineering System engineering Flight physics Future projects The complete engineering and manufacturing process chain is integrated at Bremen site to fulfil customer needs DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 5

6 High Level Target Concepts (HLTC) der ACARE-Gruppe (Advisory Council for Aeronautical Research in Europe) Highly Time Efficient Wing High-Lift Schwerpunkte adressieren mehrere HLTC: Wirbelnachlaufreduktion Kurzstart /-landefähigkeiten Kostenoptimierte Komponenten Umweltoptimierte Konfiguration Lärmarme und Durchsatzoptimierte An-/Abflugbahnen Highly Cost Oriented Ultra Green DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 6

7 Start einer A in 2005 Schon ein wesentlicher Schritt in Richtung Vision 2020: z.b.: Einführung der Droop- Nose Eine wesentliche Herausforderung für den LHD SiteTour_ProfessorengruppeRWTHAachenfinalV1_220710

8 Wing & Pylon Challenges Engineering Related Aspects Beside fuselage / cabin the wing will have increasing importance with respect to overall aircraft performance Laminar flow technologies CFRP versus AI, Monocoque Wing Initiative & other disruptive scenarios Advanced design (weight, cost) Integration of composite materials into Pylon Hybrid composite Pylon & innovative structure technologies Manufacturing Related Aspects Modular built concept, highly integrated Surface quality, accuracy Increasing buy to make ratio Reduce lead time / WIP Increased rates Adaptation of Pylon technologies & manufacturing processes R&T TWE Strategy Working Group Input - 29th July, 2010 Page 8

9 High Lift Challenges Engineering related aspects Lightweight & robust, maintenance reduced High Lift structures and systems with highest operational availability High Lift as enabler for drag reduction by laminar flow technologies High Lift technologies to reduce cycle development Increasing relevance for cruise flight Manufacturing related aspects Simplistic and highly integrated High Lift Increasing functionality Surface quality, accuracy Component design for high rate manufacturing and assembly Fulfil cruise flight criteria DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 9

10 Objectives of Wing / High-Lift research and development Increase of Airport Capacity Improved climb performance Global Objectives / Motivation Reduced speed and steep approach capability for landing Development of innovative Wing High-Lift Technologies for aircraft configurations, which are - environmentally friendly - cost efficient Reduce of high lift noise Slats advanced A/C - improving overall aircraft performance - reliable with minimum maintenance according to the High Level Target Concepts HLTC based on the Vision 2020 / ACARE Strategic Research Agenda SRA 2 Flap side edges conventional o A/C Gaps Example : 6 Approach (which seems feasible with a multifunctional TE) reduces Noise by 6dB Improved cruise flight performance by application of laminar flow technologies with Wing/High Lift configuration as enabler High lift is not only driver to achieve low speed performance but as well enabler for high speed performance. Application of laminar flow technologies has potential for at least 10% performance improvement. DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 10

11 Hochauftriebstechnologieziele Kurz-, Mittel- und Langfristige Ziele Reduzierte(s) Struktur/System Gewicht, Wartung, Herstellkosten t (RC) Verbesserte Startgleitzahl (L/D), z.b. durch hohe Flügelstreckung & Knicknase Multifunktionaler Einsatz von Steuerflächen Reduzierter Nullwiderstand (Reduzierte Fairings) Hoher Auftrieb & Widerstand für Landung Strömungskontrolle Laststeuerungsstrategien t t t incl. Sensorik Multidisziplinäre Optimierung/Simulation mit Expertensystemen Unkonventionelle Konfigurationen Technologie - Applikationen Airbus Produktgruppen - A350 und Folgeprogramme QSTOL/QICE (Quiet Innovative Commuter) - Extreme Kurzstart-/Landefähigkeit - Lärmoptimiertes, kosteneffizientes Kurzstreckenflugzeug Unkonventionelle Flugzeugkonfigurationen, z.b. - Blended Wing Body / Joined Wing A/C Neue An- und Abflugverfahren 4D-Navigation => Steiler Steigen/Landen auf gekrümmten Bahnen DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 11

12 Gliederung Prozeßkette Hochauftrieb und Technologieziele Optimierung Klassische High-Lift Konfiguration Smarte Konfigurationen mit Strömungskontrolle Konfigurationen zur Unterstützung der Laminarisierung DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 12

13 Wing/High Lift R&T Project example Composite Multispar Flap CMF / CFK Integral Process Chain for Wing High Lift in Bremen Verification tests Strategic Procurement Wing Equipping / High Lift $/ Delivery to final assembly line Design engineering 1 st CMF Large Scale Article Full Integral Composite Multispar Flap Structure Project Summary DELIVERABLE: 7.4m full integral closed box composite multi spar flap demonstrator REFERENCE: A320 outboard flap TECHNOLOGY READINESS LEVEL (TRL) TRL4 achieved in May 2009 : (incl. 1.5m flap section static test) Full Scale Demonstrator successfully manufactured in Feb 2010 TRL5 planned for 2010 TRL6 planned for 2011 (incl. Static & fatigue full scale test) Structure R&T Engineering System Flight physics engineering Funding: Future projects INNOVATIVE STEPS: from differential to integral flaps A320 outboard flap integral CFRP structure. First full scale from multi rib to multi spar design demonstrator from autoclave to autoclave-free manufacture Today's design vs. Future Design Differential multi rib flap design Highly integral composite flap design European Union European Regional Development Fund - Highly differential CFRP flap design - High amount of expensive single parts (e.g. prepreg) - Autoclave necessary - High complexity leads to high assembly effort - Significantly reduced number of assembly parts - Recurring cost saving potential of up to 25 % - Task is the manufacturing of a closed structure by a single-shot injection - No autoclave necessary Wesentlicher Vorteil: 25% Herstellkostenreduktion DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Seite 13

14 A350 XWB Adaptive Dropped Hinge Klappen Adaptive Dropped Hinge Klappe Motiv vation Reduktion der Betriebskosten Reduktion des Lärmpegels & Widerstands Lösung Vo orteil Multifunktionales Hinterkantenklappensystem: Adaptive Dropped Hinge Klappe Verwendung als Hochauftriebshilfe und zur Profiladaptierung im Reiseflug => Variable Wölbung Signifikante Verbesserung der Hochauftriebswirksamkeit, deutliche Gewichtseinsparung & geringere Komplexität Lastabminderungsfunktion durch spannweitig differentielle Ausschläge und Reiseflugwiderstandsreduktion DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 14

15 Award for Excellence on A350 Innovation Implementation of the Adaptive Dropped Hinge Flap (ADHF) for A350 XWB Category Innovation Corporate Award 16 th Dec DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 15

16 Evolutionäre High Lift Konzepte in Lufo III/IV Conventional configuration New configuration Advanced Drooped Nose Device Slat less wing/fixed leading edge Smart Leading Edge Device CFRP Slat Advanced d Lower Surface Flap Distributed Flap Drive System CFRP flap support design* Electronic Jam Detection* New inboard flap Load Introduction Rib Sliding Tracks Slotted Camber Tab* Dropped Hinge Flap Mini Trailing Edge Devices* Cruise Take-Off Landing DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 16

17 Gliederung Prozeßkette Hochauftrieb und Technologieziele Optimierung Klassische High-Lift Konfiguration Smarte Konfigurationen mit Strömungskontrolle Konfigurationen zur Unterstützung der Laminarisierung DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 17

18 Entscheidend für die Umsetzbarkeit des Zusatzauftriebs in geringere Anfluggeschwindigkeiten oder geringere Flügelflächen ist die operationelle Verfügbarkeit des Zusatzauftriebs. Maßstab: Wahrscheinlichkeit Clean Landing < 10^-09/h DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 18

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22 SFB 880: Grundlagen des Hochauftriebs künftiger Verkehrsflugzeuge Rolf Radespiel, TU BS Eine substantielle Reduktion der Start- und Landestrecken bei Eine substantielle Reduktion der Start und Landestrecken bei gleichzeitiger Minimierung des Fluglärms ist nur über eine drastische Erhöhung des fliegbaren Auftriebsbeiwerts machbar. Der kürzlich begutachtete SFB 880 ist aus Industriesicht genau der richtige Ansatz

23 Gliederung Prozeßkette Hochauftrieb und Technologieziele Optimierung Klassische High-Lift Konfiguration Smarte Konfigurationen mit Strömungskontrolle Konfigurationen zur Unterstützung der Laminarisierung DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 23

24 Laminarströmungshistorie und wissen innerhalb des LHD Airbus 20% 30% 40% 50% ATTAS NLF Handschuh 1987 F100 NLF Handschuh 1992 A340 HLFC Handschuh,1995 A320 HLFC SLW 1996 NLF= Natural Laminar Flow (durch Formgebung des Profils) HLFC= Hybrid Laminar Flow Control (durch Profilgebung und Absaugung an der Nase) Transition > 55% Profiltiefe & Profilwiderstandsreduktion bis zu 45% sind möglich, aber erhebliche Anstrengungen g zur System- und Strukturintegration sind noch nötig, um dieses Potenzial zu heben DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 24

25 Laminarität: Status und Ausblick Widerstandsreduktionspotential durch Natural und Hybrid Laminar Flow Control im Freiflug eindeutig demonstriert Grundlegende Entwurfskriterien und Systemlösungen erarbeitet und validiert Industrielle Lösungen für den operationellen Einsatz werden erarbeitet und demonstriert: Oberflächenqualität / Fertigungskonzepte - Kontaminationsvermeidung - Flügelenteisung - Effizienz und Zuverlässigkeit von aktiven Absauge-Systemen Öl Preis Entwicklung Priorität hat zunächst der NLF Flügel, der vor kurzem den TRL3 Meilenstein... steigende schaffte. Energiepreise Am weiteren rechtfertigen Horizont kommt dann HLFC, wo das den Einsatz von komplexeren DLR im Technologien Eigenantrag zur gestützt Kraftstoffeinsparung t durch Airbus die Machbarkeitsstudien t mit einem vereinfachten Absaugesystem an einem 1:1 Modell im NWB weiterführt. DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 25

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27 HIT - SmartLED Technical Content Main Objective: Verification of deformability under mechanical loads (e.g. wing bending) Main Worksteps: Evaluation of Smart Droop Nose concepts Identification of suitable conventional materials Smart S t Droop Nose design Full Scale Smart Droop Nose Demonstrator: Nose and front spar 3-dimensional structure (2,5 m span) Active deformation under mechanical loads (wing bending) Reference Wing Design: FNG Flügel Neuer Generation DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 27

28 Airbus Erstellen und Erläutern der industriellen Anforderungen an eine Smart LED Bereitstellung der FNG- Referenzdaten Begleitung und Bewertung der Konzeptentwicklung aus Industriesicht Aerodynamische Bewertung der erreichbaren Hochauftriebsleistung der Smart LED Konzepte Integration des Smart LED Konzeptes auf Gesamtflugzeugebene Bewertung der Kosten und Erfüllung der industriellen Aspekte Reference A/C Technology Retrofit A/C technical potential aircraft level: Δ Weight Δ Drag Δ SFC Δ Block fuel Δ Range... reference: Structure and weights Flight physics Systems Cabin Noise Emissions NRC RC Breakdown technology level: Δ Weight Δ Drag Δ SFC Δ Cost Δ Noise New Functionalities... New A/C technical potential aircraft level: Δ Weight Δ Drag Δ SFC Δ Block fuel Δ Range Modified Geometry... Laminar Wing Application DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 28

29 DLR Materialscreening und -auswahl Detailliertes FE-Modell zur Auslegung und Optimierung von Haut- und Substruktur Explizite Modellierung der Aktuatorik Parametrische Modellierung der Substruktur Verlauf der Dehnung / Materialdicke der Haut Hautdicke in mm Unterseite Oberseite Aus s enfas er Innenfaser 635mm y x 254mm 587mm Dehnung in % 0 755mm 1257mm 1758mm Unterseite Oberseite mm Normierte Umfangslänge DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 29

30 EADS-IW Integrativer Entwurf eines Aktuatorsystems (Kinematik und Antrieb Optimierung des Aktuatorsystems (servoelastische Betrachtung) Spezifikation und prototypische Darstellung der Aktuatoren Konzeption der lokalen l (Leistungs)elektronik Untersuchung der Funktionalität in einer Testumgebung DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 30

31 EADS-MAS & Fraunhofer LBF Design-Konzepte Analyse Halbsandwich Integration Sub-Konzepte Holm-Auslegung Demonstrator Lasteinleitung Referenzpunkt für Positionsbestimmung Schubfeld Höchste Dehnungen Dehnungsverteilung Kontur/Form Spannungen DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 31

32 HIT - SmartLED Status Technische Entwicklung Industrielle Anforderungen definiert Generelle Konzeptauswahl abgeschlossen (Dornier-Patent) Konzeptentwicklung zur Hautstruktur Hautkonzept: Hybrid-Laminat mit Ω-Stringern zur Krafteinleitung und Verstärkung Limits bezüglich Dehnungsgrenze werden um 8-10 erreicht Arbeiten zur Kinematik 1 Auslenkhebel und 3 kinematische Stützstellen (Stäbe) Abstand zwischen Supports 0,5 m (ca. 15 Stück pro Flügelseite!!) Arbeiten zur Aktuatorik Rotary-Aktuator mit Kniehebelanlenkung (2 Stück für Demonstrator) Beginn der Konstruktion des Bodendemonstrators (EADS-MAS) Stahlgerüst mit Anlenkung für Flügelbiegung und Verwindung Messkonzept Messkonzept: Optische und elektrische Messeinrichtungen DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 32

33 HIT - SmartLED Bewertung Status Derzeitiges Smart LED Konzept erfüllt nicht die Airbus- Anforderungen Dehngrenze des Materials limitiert den Ausschlagwinkel Entscheidung Verbund: Bodendemonstration mit eingeschränktem Ausschlagwinkel zur Validierung der Konzeptentwicklung Kinematikanbindung an Haut pragmatisch Bodendemonstrator weiterführend nutzbar Nächste Schritte (z.b. Smart LED 2): Neue Hautstrukturen mit neuen CFK/GFK-Laminat- Materialkombinationen untersuchen Neutralstellung nicht bei 0 (negative+positive Dehnungen) Neudefinition der zulässigen Dehngrenze (Nietreparatur) Optimierung der Kinematik und Aktuatorik (Anzahl Anbindungen) DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 33

34 SADE Smart Leading Edge (SLE) Technical Content Main Objective: Verification of deformability and shape accuracy under aero loads Main Worksteps: Development of innovative Smart Droop Nose concepts Development of advanced d material systems Smart Droop Nose design Full Scale Smart Droop Nose Demonstrator: Complete wing section (6 m span, 3 m chord) 2-dimensional structure Active deformation under aero loads (WT experiment) Shape accuracy under aero loads (WT experiment) Reference Wing Design: FNG - Flügel Neuer Generation HARLS - High Aspect Ratio Low Sweep DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 34

35 SADE Smart Leading Edge (SLE) Überblick Kinematik & Aktuatorkonzepte Verschiedene Kinematikkonzepte vorgestellt Verschiedene Aktuatorkonzepte vorgestellt Noch kein Gesamtkonzept verfügbar Patent Dornier Pt Patent tflexsys EADS MAS Schlauchaktuator Spindelantrieb DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 35

36 Smart DND Offene technische Fragestellungen Weiterentwicklung des HIT Smart LED Konzept Demonstrators bis Mitte 2012 (Konzepte zur Erfüllung der A-D Requirements) zum TRL3 Offene technische Inhalte: Industrielle Anbindung der Haut-Kinematikelemente Anti-Icing Anti-Kontamination Vogelschlag / FOD Oberflächenschutz/Beschichtungen h h t hi ht (Lacke) Erosion Blitzschutz Wartungsaspekte Flexible Seitenkantenabdichtung Reparaturp Übergang Flügelkasten (Front Spar-Anbindung)... DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 36

37 Schlußwort DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 37

38 Schlußwort Das vorgelegte Konzept des SFB 880 greift mit aktiven Hochtriebskonzepten ein Thema auf, das in den letzten Jahren angesichts der trotz Krisen kontinuierlichen Steigerungsraten im Luftverkehr aktuell und drängend geworden ist. Ziel ist es, durch neue Funktionalitäten von Hochauftriebssystemen und aktiver Strömungskontrolle die Start und Landestrecken deutlich zu verkürzen bei gleichzeitiger Minimierung des Lärmteppichs. Insbesondere ist die Verzahnung von Großforschung und universitärer Forschung zu begrüßen, da die DLR-Institute t auf einschlägige i Erfahrungen in ihren Forschungsprofilen verweisen können und gemeinsam mit einigen Teilprojektleitern im Campus Forschungsflughafen auch vielversprechende Konzepte ggf. in einer späteren Phase im Fluge erprobt werden könnten. DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 38

39 AIRBUS S.A.S. All rights reserved. Confidential and proprietary document. This document and all information contained herein is the sole property of AIRBUS S.A.S.. No intellectual property rights are granted by the delivery of this document or the disclosure of its content. This document shall not be reproduced or disclosed to a third party without the express written consent of AIRBUS S.A.S. This document and its content shall not be used for any purpose other than that for which it is supplied. The statements made herein do not constitute an offer. They are based on the mentioned assumptions and are expressed in good faith. Where the supporting grounds for these statements are not shown, AIRBUS S.A.S. will be pleased to explain the basis thereof. AIRBUS, its logo, A300, A310, A318, A319, A320, A321, A330, A340, A350, A380, A400M are registered trademarks. DLR_WissenschaftstagBS_High-LiftV1_ Page 39