5. Zusammenfassung und Ausblick

In der modernen globalisierten Welt herrscht eine hohe Nachfrage nach schnellstmöglichen, flexiblen und dabei sicheren Transportmitteln. Gleichzeitig ist allerdings die Nachhaltigkeit der dafür eingesetzten Technologien zu maximieren, um den fortschreitenden Klimawandel einzudämmen. Kommerzielle Überschallflugzeuge könnten bei verbesserter Nachhaltigkeit die Nachfrage nach solch einem Transportmittel erfüllen. Für die Nachhaltigkeit stellen vor allem ihr großer Bedarf fossiler Kraftstoffe und die resultierenden \(CO_{2}\)-Emissionen bei einer geringen Flugreichweite eine Herausforderung dar.

Als Beitrag zur Erhöhung der Flugreichweite kommerzieller Flugzeuge durch Reduzierung des Luftwiderstands der Triebwerke wurden variable Pitot-Einlässe innerhalb einer fünfjährigen akademischen Konzeptstudie untersucht. Frühere Studien zu variablen Einlässen fanden keine industrielle Anwendung, da sie die hohen Anforderungen an Effizienz, Sicherheit und Zuverlässigkeit nicht erfüllen konnten, vgl. Abschnitt 1.​1. Mögliche Gründe hierfür sind ein zu geringes Einsparpotenzial durch eine zu niedrige Reisefluggeschwindigkeit der Anwendung oder unzureichende Zuverlässigkeit und Sicherheit aufgrund eines ungeeigneten Konstruktionsansatzes. Das Ziel der vorliegenden Studie war es, ein Konzept für variable Pitot-Einlässe konstruktiv bis zu einem Technologie-Reifegrad TRL 3 zu gestalten, sodass dieses zur Erhöhung von Reisefluggeschwindigkeit und Flugreichweite beitragen kann, ohne dabei die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Flugzeugs einzuschränken, vgl. Abschnitt 1.​2.

Zum Erreichen dieses Ziels war der aktuelle Stand der Wissenschaft und Technik bezüglich der Einlässe von Flugzeugtriebwerken zu erarbeiten, vgl. Kapitel 2. Dieser beinhaltet die Analyse der für die jeweiligen Geschwindigkeitsbereiche einsetzbaren Einlasstypen, vgl. Abschnitt 2.​1. Zudem wurden die Gestaltung von Pitot-Einlässen sowie Einflüsse auf deren Gestaltung detailliert untersucht, vgl. Abschnitt 2.​2 und 2.​3. Aus diesen Untersuchungen gehen zahlreiche Vorteile variabler Pitot-Einlässe gegenüber anderen Bauformen für Fluggeschwindigkeiten bis Mach 1,6 hervor, vgl. Abschnitt 2.​4.​1. Hierzu zählt beispielsweise die hohe Strömungsgleichförmigkeit über den gesamten Betriebsbereich bei verhältnismäßig geringer Masse. Daraufhin erfolgte die Analyse relevanter existierender Lösungsansätze und potenziell erforderlicher Technologien für variable Pitot-Einlässe, vgl. Abschnitt 2.​4.​2 und 2.​4.​3. Hierbei wurden unter anderem bereits Ansätze für die Variation der Einlassgeometrie durch Verschieben starrer Komponenten, Verformen des Oberflächenmaterials oder durch Grenzschichtbeeinflussung identifiziert.

Darüber hinaus war ein konstruktionsmethodischer Ansatz zu erarbeiten, der für diese akademische Konzeptstudie geeignet ist, um die gewünschte Sicherheit und Zuverlässigkeit des Konzepts zu erreichen, vgl. Kapitel 3. Hierfür wurden allgemeine Konstruktionsmethodiken, Methoden für die Entwicklung sicherer und zuverlässiger Produkte sowie der luftfahrtspezifische Sicherheitsprozess detailliert betrachtet, vgl. Abschnitt 3.​1. Daraus ergab sich ein Konstruktionsansatz, der auf dem Vorgehen nach VDI-Richtlinie 2221 basiert und durch Methoden der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanalyse nach ARP 4761 ergänzt wurde, vgl. Abschnitt 3.​2. Auf diesem fünfphasigen Konstruktionsansatz basiert die anschließend durchgeführte Konzeptstudie, vgl. Kapitel 4. Der Ansatz könnte jedoch auch generell für zukünftige Konzeptstudien im Bereich der Luftfahrt eingesetzt werden. Bei einer weiteren Anwendung des Ansatzes könnte vorab untersucht werden, ob die inhaltlichen Überschneidungen zwischen einzelnen verwendeten Methoden reduzierbar wären, ohne dadurch den Grad der Vollständigkeit der Konzeptstudie zu verringern.

Während der ersten Durchführungsphase der Konzeptstudie erfolgte die Analyse relevanter Anforderungen, Schnittstellen und behördlicher Regularien variabler Pitot-Einlässe, vgl. Abschnitt 4.​1.​1 bis 4.​1.​3. Zudem gehen aus dieser Phase Ausschlusskriterien und gewichtete Bewertungskriterien für die spätere Auswahl der erarbeiteten Lösungsvarianten hervor, vgl. Abschnitt 4.​1.​4. Zu den Ausschlusskriterien zählen beispielsweise die perspektivische Erfüllbarkeit einer hohen Sicherheit, einer umfangreichen Variation geometrischer Einlassparameter oder eine geringe Komplexität. Bei den Bewertungskriterien stellen die Gewährleistung der Sicherheit und bestmögliche aerodynamische Eigenschaften die wichtigsten Vertreter dar.

In der darauffolgenden Phase der Funktionsanalyse wurden die relevanten erforderlichen Funktionen und deren Strukturen auf Flugzeug-, Einlass- und Stellsystemebene ermittelt, vgl. Abschnitt 4.​2.​1 und 4.​2.​2. Zudem wurden potenzielle Gefährdungen für Funktionsausfälle identifiziert. Hierbei wurde beispielsweise die Bedeutung eines unabhängigen Stellsystems, eines integrierten Vereisungsschutzes und der strukturellen Stabilität variabler Einlässe hervorgehoben, vgl. Abschnitt 4.​2.​3. Zudem wurden mögliche Lösungsprinzipe aus Natur und Technik zum Erfüllen der identifizierten Funktionen erarbeitet, vgl. Abschnitt 4.​2.​4.

Während der anschließenden Konzeptphase wurden 30 Konzepte auf intuitivem sowie auf methodischem Weg erstellt und beschrieben, vgl. Abschnitt 4.​3.​1. Die intuitive Konzepterstellung erfolgte in Brainstorming-Sitzungen, während die methodische durch Kombination der zuvor erarbeiteten Lösungsprinzipe mittels morphologischen Kastens durchgeführt wurde. Anschließend erfolgte eine Vorauswahl der Konzepte auf Basis der identifizierten Ausschlusskriterien, vgl. Abschnitt 4.​3.​2. Die verbleibenden zehn Konzepte wurden zu drei Konzeptgruppen zusammengefasst, vgl. Abschnitt 4.​3.​3. Diese Konzeptgruppen variieren die Geometrie des Einlasses durch

Im weiteren Verlauf wurden die Konzeptgruppen detailliert untersucht. Beispielsweise wurde im direkten Anschluss an die Identifikation der Konzeptgruppen eine vorläufige System-Sicherheits-Analyse in Form einer Fehlerbaumanalyse durchgeführt, vgl. Abschnitt 4.​3.​4. Aus dieser Analyse gingen unter anderem Konstruktionsanpassungen zur Vermeidung von Schubverlust durch eine fehlerhafte Ansteuerung des variablen Einlasses hervor.

Die darauffolgende Vorentwurfsphase der Konzeptgruppen beinhaltete die Analyse von Fehlern gemeinsamer Ursachen, vgl. Abschnitt 4.​4.​1. Als Ergebnis dieser Analyse wurde die Bedeutung von Redundanz, der Auswahl des Eisschutz- und des Stellsystems variabler Einlässe sowie der Schutz vor äußeren Einflüssen, wie Vogel- und Blitzschlag, hervorgehoben. Die Auswahl des Eisschutz- und des Stellsystems für die jeweilige Konzeptgruppe erfolgte im direkten Anschluss im Rahmen von Integrationsstudien, vgl. Abschnitt 4.​4.​2. Dabei wurde beispielsweise für die Konzeptgruppe zum Verschieben starrer Komponenten die Kombination einer elektrischen Aktorik mit einem elektrothermischen Eisschutzsystem als ideal identifiziert. Im nächsten Schritt wurden ideale Geometrien für die Konzeptgruppen und deren aerodynamisches Einsparpotenzial bestimmt, vgl. Abschnitt 4.​4.​3. Das Einsparpotenzial variabler Einlässe in Form eines Reichweitengewinns durch Verringerung des Luftwiderstands beträgt für Überschallflugzeuge bis Mach 1,6 unter Vernachlässigung der zusätzlichen Masse etwa 35 %. Im Unterschall bis Mach 0,95 könnte der Reichweitengewinn theoretisch bis zu 5 % betragen, wird jedoch durch die zusätzliche Masse und Komplexität des variablen Systems ausgeglichen. Die gesammelten Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen wurden in einer gewichteten Punktbewertung für die abschließende Konzeptgruppenauswahl genutzt, vgl. Abschnitt 4.​4.​4. Hierbei wurde die Konzeptgruppe des Verschiebens starrer Komponenten als die am besten geeignete identifiziert.

In der anschließenden detaillierten Konzeptuntersuchungsphase wurde basierend auf den zuvor gewonnenen Erkenntnissen das umzusetzende Konzept aus der ausgewählten Konzeptgruppe hergeleitet, vgl. Abschnitt 4.​5.​1. Dieses wurde danach strukturell dimensioniert und in einer CAD-Umgebung modelliert, vgl. Abschnitt 4.​5.​2 und 4.​5.​3. Die CAD-Modellierung des Konzepts ermöglichte den theoretischen Nachweis der Funktionsweise des variablen Einlasskonzepts. Der nachfolgende Bau zweier Prototypen resultierte in einem praktischen Nachweis der Konzeptfunktionalität, vgl. Abschnitt 4.​5.​4. Zudem konnte die strukturelle Stabilität des Konzeptes im Falle eines Vogelschlags durch eine vorläufige Analyse gezeigt werden, vgl. Abschnitt 4.​5.​5.

Abschließend wurde das große Potenzial des erarbeiten Konzepts bezüglich seiner Funktionalität, Innovativität, Sicherheit, Komplexität und Masse festgestellt, vgl. Abschnitt 4.​6. In Abhängigkeit der finalen Masse des Konzepts wurde ein Reichweitengewinn für Überschallanwendungen von 20 % bis 30 % quantifiziert.

Das Ziel, ein Konzept für variable Pitot-Einlässe bis zu einem Technologie-Reifegrad TRL 3 zu erforschen, wurde durch den theoretischen und praktischen Nachweis der Funktionsfähigkeit des Konzepts erreicht. Die luftfahrtspezifischen Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen wurden bei der Erarbeitung und Gestaltung besonders beachtet, sodass das Konzept diese perspektivisch erfüllen kann. Als Anwendungsbereich für das Konzept wurde der kommerzielle Überschallflug bis Mach 1,6 identifiziert. In diesem Anwendungsbereich bieten variable Pitot-Einlässe ein großes Potenzial für einen Reichweitengewinn und könnten somit eine Schlüsseltechnologie bei der Wiedereinführung des kommerziellen Überschallflugs darstellen.

Die Ergebnisse dieser Konzeptstudie sind durch nachfolgende Entwicklungsschritte und Konzeptuntersuchungen mit einem erhöhten Grad der Detaillierung abzusichern. Hierzu zählen insbesondere aerodynamische, strukturelle und sicherheitstechnische Analysen sowie die weitere Konzeptgestaltung.

Aerodynamische Analysen können dabei numerische Simulationen und Windkanalversuche beinhalten. Im Rahmen dieser Analysen sind die Auswirkungen der Spalte und Stufen auf der Kontur des variablen Einlasskonzepts zu untersuchen. Diese könnten dreidimensionale Effekte und veränderte Stoßkonfigurationen bis hin zu Strömungsablösungen hervorrufen. Auch sollte die Fanströmung sowie die Umströmung des gesamten Triebwerks, seiner Aufhängung, der Tragflächen und des Flugzeugrumpfes untersucht werden. Zusätzlich ist der Einfluss möglicher Montagearten, Anstellwinkel sowie Seitenwindeinflüsse miteinzubeziehen.

Nachfolgend wäre auch der praktisch durch das Konzept erreichbare Reichweitengewinn sowie die mögliche Lärmerzeugung bei der Umströmung der segmentierten Kontur zu bestimmen. Weiterhin ist die Funktionsfähigkeit der Unterschallgeometrie für den Startfall, den Steigflug sowie den Windmilling-Betrieb nachzuweisen. Zusätzlich sollte das Verhalten der Überschallgeometrie bei diesen Betriebsbedingungen analysiert werden, wodurch versagenssichere Maßnahmen zur Absicherung im Fehlerfall, wie ein Rückstellmechanismus, vermeidbar werden könnten.

Darüber hinaus kann die Verteilung der axialen Unterteilung der Kontur in Segmente strömungsmechanisch optimiert werden. Zudem sollten weitere Konturen für die jeweiligen Flugphasen bestimmt werden. Diese könnten in einer späteren Konzeptiteration implementiert werden, um eine kontinuierliche Einlassvariation zu ermöglichen. Hierbei sollte auch eine mögliche Variation des maximalen Gondeldurchmessers sowie die Anwendung verschiedener Schnittgeometrien oder eines Schräganschnitts untersucht werden. Die Umsetzbarkeit dieser Geometrien durch Lage- und Längenanpassung der Verbindungsstäbe des Konzepts ist für die genannten Geometrieänderungen zu untersuchen.

Weiterführende strukturelle Analysen sollten die detaillierte Dimensionierung bisher unberücksichtigter Komponenten, wie Schraubverbindungen, beinhalten. Weiterhin sollten die bisher dimensionierten Komponenten bezüglich eines Versagens durch Dauerbruch, Rissfortschreiten, mechanische Abnutzung, Korrosion oder Temperatureinflüsse untersucht werden. Auch sollte eine potenzielle Massenreduktion durch Verwendung von Leichtbaumaterialien sowie Strukturoptimierung in Betracht gezogen werden. Die strukturelle Stabilität des Konzepts ist auch infolge der resultierenden Dimensionsanpassungen mittels Festigkeitssimulationen und Versuchen, wie dem Vogelschlagtest, umfassend nachzuweisen.

Während nachfolgender sicherheitstechnischer Untersuchungen sollte eine Fehlermöglichkeits- und -Einflussanalyse (FMEA) zur Absicherung der Ergebnisse der Fehlerbaumanalyse durchgeführt werden. Zudem ist die Steuerung des variablen Einlasses mit dem Flugzeugkontrollsystem abzustimmen. Darüber hinaus sind die Erforderlichkeit und die Umsetzung der geplanten Mechanismen für das Sichern der Kontur im regulären Betrieb, das Rückstellen der Kontur bei einem Aktorausfall und das Halten der Segmente im Vogelschlagfall zu prüfen. Weiterhin sollten alle identifizierten Teilsysteme in einem zukünftigen Funktionsdemonstrator integriert und unter Laborbedingungen getestet werden.

Die vorgeschlagenen Entwicklungsschritte und Konzeptuntersuchungen dienen der Vorbereitung des Konzepts auf die zu erbringenden Zulassungsnachweise entsprechend der erarbeiteten Nachweisprüfliste. Hierzu zählen neben Analysen und Simulationen auch Windkanal-, Vogelschlag- und Flugversuche. Durch die erfolgreiche Erbringung dieser Nachweise kann die Verwendung variabler Pitot-Einlässe in der Luftfahrt ermöglicht werden.

Durch die Verwendung variabler Pitot-Einlässe in geplanten Überschallflugzeugen kann deren Reichweite deutlich gesteigert und ihr Kraftstoffverbrauch verringert werden. Dies würde in einer signifikanten Verbesserung der ökonomischen und ökologischen Eigenschaften dieser schnellstmöglichen Transporttechnologie resultieren. Somit könnten variable Pitot-Einlässe durch das vorgestellte Konzept eine Schlüsselrolle bei der Wiedereinführung eines umweltfreundlicheren kommerziellen Überschallflugs einnehmen.