Virtueller Prototyp – Erstflug am Rechner

Wie verhält sich die Strömung an einem Flügel? Wie viel Lärm erzeugen ausgefahrene Landeklappen? Wie interagieren Rotor und Zelle eines Helikopters? Solche Fragen lassen sich beantworten, bevor ein neues Fluggerät erstmals abhebt – dank numerischer Simulation. Den stationären Reiseflug könne man mittlerweile extrem genau berechnen, Start und Landung ebenfalls, so Prof. Norbert Kroll. Er ist der Leiter des Simulationszentrums C²A²S²E im Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Braunschweig. Das DLR will allerdings noch weiter gehen: „Unser Ziel ist es, Flugzeuge nicht nur am Rechner zu entwerfen, sondern auch zu erproben und zu zertifizieren“, sagt Kroll. Dafür arbeitet das DLR unter anderem mit Industriepartnern wie Airbus zusammen.

Ein Flugzeug aus einer Million Datensätzen

Seit den 1970er Jahren spielt die numerische Simulation eine zunehmende Rolle und ergänzt in der Entwicklung Windkanalversuche, Bodenerprobungen und Flugtests. Der Vorteil: Designänderungen lassen sich am Rechner einfacher und günstiger vornehmen als an einem echten Modell. Für eine Simulation werden das virtuelle Flugzeugmodell und die umgebende Luft in einzelne Zellen unterteilt. Bei der numerischen Strömungsmechanik (englisch: Computational Fluid Dynamics, CFD) wird jeder Bereich des so entstehenden Rechengitters unter anderem durch die Variablen Druck, Dichte und Geschwindigkeit der umströmenden Luft beschrieben. So ergibt sich ein System aus komplexen mathematischen Gleichungen, die wiederum tausende Male pro Simulation berechnet werden. Für die Charakterisierung eines kompletten Flugzeugs kommen so schnell eine Million Datensätze zusammen. Je genauer die Daten sein sollen, desto kleiner die Zelle und desto länger die benötigte Rechenzeit.

Hohe Anforderungen an die Rechenleistung

Um die großen Datenmengen zu verarbeiten, sind extrem leistungsfähige Computer nötig. Das DLR betreibt mehrere Superrechner, erst im März wurde in Göttingen das Hochleistungsrechensystem MARVIN_NG in Betrieb genommen. Es ist nach Angaben des DLR 1500-mal so schnell wie ein üblicher PC und soll vor allem aeroelastischen Simulationen dienen. Dabei geht es um die Wechselwirkung von bewegten Objekten mit der umströmenden Luft. Untersucht wird beispielsweise das Flattern von Flügeln, das es im Echtbetrieb un­bedingt zu vermeiden gilt. Auch im C²A²S²E steht ein Hochleistungsrechner. Er umfasst 1120 Prozessoren mit 13 440 Rechenkernen. Damit bewältigt das Cluster rund 260 Billionen Rechenoperationen – pro Sekunde. So sind innerhalb von Stunden oder Tagen auch multidisziplinäre Optimierungen möglich, die Simulationen von Aerodynamik und Strukturwechselwirkungen koppeln.

„Die Zunahme an Rechenleistung erlaubt uns, neue Wege zu gehen, die früher aufgrund des Aufwands kein Thema waren“, sagt Kroll. Data Science heißt das Schlüsselwort und bezeichnet die   Analyse, Aufbereitung und Nutzung großer Datenmengen. Denn durch die Digitalisierung fallen bei Windkanalversuchen und Flugerprobung immer mehr Informationen an, die in die Simulation zurückgespielt werden. Diese Daten bereits zugelassener Flugzeuge ermöglichen laut Kroll eine bessere Ausgangslage für die Entwicklung und Optimierung neuer Modelle. In Zukunft wollen die DLR-Forscher auch selbst lernende Algorithmen einsetzen, um weniger und bessere Berechnungen machen zu können.

Schnellere Entwicklung durch bessere Simulation

„Heute nutzen wir virtuelle Methoden, um die Aerodynamik von Flugzeugen zu verbessern. Windkanaltests dienen dazu, das virtuelle Modell zu bestätigen“, sagt Michel Tellier, Vice President Aerospace and Defense bei Dassault Systèmes, einem der führenden Anbieter von Software für 3D-Design und Modellsimula-tion. Bei der A350 beispielsweise setzten die Airbus-Ingenieure stärker als bisher auf CFD-Simulation. Im Vergleich zur A380 konnte die Anzahl der Windkanal-Testtage um 40 Prozent reduziert und die Entwicklung um rund sechs Monate beschleunigt werden.

Wenn es allerdings um die Zulassung geht, führt bislang kein Weg vorbei an der physikalischen Erprobung, beispielsweise bei einem Flächenbelastungstest: „Die Regulierungsbehörden wollen den Flügel brechen sehen, sie wollen wissen, bei welcher Last er gebrochen ist und ob er an dem Punkt brach, der vom Flugzeughersteller vorhergesagt wurde“, sagt Tellier. Tests und Zulassung machen laut Tellier 25 Prozent der Kosten und 30 Prozent der zeitlichen Dauer eines Flugzeugprogramms aus. Bevor Luftfahrt-behörden Simulationen eines Tages auch für zertifizierungsrelevante Tests akzeptieren, müssen zunächst unzählige Realversuche durchgeführt werden, um Modell und Wirklichkeit miteinander abzugleichen. Vogelschlagtests mit Triebwerken, Crashtests mit Sitzen oder ganzen Rumpfsektionen würden derzeit aber einen Wandel erleben: „All diese zerstörenden Prüfungen verschieben sich dahingehend, dass die virtuelle 

Methode Hauptinstrument wird und physikalische Tests das Modell belegen“, sagt Tellier. Seiner Meinung nach könnte die komplette Zulassung am Rechner in etwa 20 Jahren möglich werden.

Zukunftskonzepte werden am Rechner untersucht

Die numerische Simulation soll aber auch helfen, Risiken und Potenziale von radikalen Flugzeugkonzepten besser einzuschätzen, bevor viel Geld in die Entwicklung fließt. Wie wirken sich längere und schmalere Flügel aus, die eventuell seitlich am Rumpf abgestrebt sind? Was passiert mit der Strömung, wenn Triebwerke auf dem Heck und nicht mehr unter den Flügeln montiert sind? Forscher müssen sich zunächst ein besseres Verständnis der komplexen Physik hinter den neuen Variablen und ihren Einflüssen auf die Strömung erarbeiten. Dafür sind auch weiterhin Windkanaltests nötig. Die dabei gewonnenen 

Daten helfen dabei, die Simulation zu verbessern. Und dem Ziel der virtuellen Zulassung näher zu kommen.

FLUG REVUE Ausgabe 09/2017

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