Hydrogen as a sustainable alternative energy source for commercial aircraft holds promise for helping the aviation industry meet its climate goals. The transition to hydrogen and the relocation of fuel storage to the fuselage introduces a novel design space for wing structures and system integration. The Dry Wing Technology Exploration (DWiTE) project aims to explore this new design space by considering various disciplines—such as aerodynamics, structures, control and systems—to assess the overall benefits at the aircraft level. The scope includes, but is not limited to, hybrid laminar flow control, novel primary structure concepts, and internal kinematics.  TUM’s contribution to the project focuses on developing innovative wing concepts that utilize active load control and assessing their impact on overall aircraft performance.

The project is funded under the grant of the German federal aviation research program LuFo VI-3 by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Action.

Der konzeptionelle Flugzeugentwurf wird seit Jahren eingesetzt, um neue Flugzeugkonfigurationen zu entwickeln oder neue Technologien in bestehenden Flugzeugkonfigurationen zu bewerten. Bis dato wurden in der Industrie und an Universitäten verschiedene Flugzeugumgebungen entwickelt, die einen ähnlichen Entwicklungstand aber unterschiedliche Kompetenzen aufweisen. Mit dem Hintergrund die Entwurfsexpertisen und die disziplinären Fachkenntnisse der deutschen Luftfahrtuniversitäten zu bündeln und langfristig nutzbar zu machen, wird eine gemeinsame universitäre Flugzeugentwurfsumgebung im Rahmen des Projektes UNICADO aufgebaut. Grundsätzliches Ziel ist das Ausschöpfen von Synergiepotenzialen und eine Fokusverschiebung in Forschung und Lehre von Codeentwicklung hin zu eigentlicher Entwurfstätigkeit. Die Entwurfsumgebung wird gemeinsam mit der Industrie und Großforschung validiert. So soll die Anschlussfähigkeit an die Entwurfsprozesse der Industrie und außeruniversitärerer Forschung sichergestellt und damit effiziente gemeinsame Forschung im Bereich Flugzeugentwurf ermöglicht werden.

Das Projekt wird gefördert im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms LuFo VI-1 und 2 durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.

Die Durchführung von Flugzeugentwurfsstudien und -optimierungen erfordert eine flexible, benutzerfreundliche und erweiterbare Entwurfsumgebung, um sowohl konventionelle als auch unkonventionelle Flugzeugkonfigurationen auslegen und innovative Technologien berücksichtigen zu können. Vor diesem Hintergrund wird am Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme eine Flugzeugentwurfsumgebung für das Conceptual Design und die frühen Phasen des Preliminary Designs zur Anwendung in Forschung und Lehre entwickelt. Sie basiert auf dem universellen, objekt-orientierten Datenmodell ADDAM (Aircraft Design Data Model), welches sowohl für Transportflugzeuge als auch für UAVs verwendbar ist. Für die einzelnen Teilgebiete des Flugzeugentwurfs wird eine erweiterbare Sammlung bereits existierender sowie speziell entwickelter Ansätze und Verfahren mittels einer standardisierten Schnittstelle an das Datenmodell angebunden. Eine Bibliothek von Flugzeugen, Flügelprofilen, Triebwerken und Materialien erhöht die Wiederverwendbarkeit und erleichtert die schnelle Untersuchung verschiedener Konzepte.

Durch die Kombination von Senkrechtstartfähigkeit und aerodynamischen Vorwärtsflug entsteht ein Fluggerät, welches flexibel eingesetzt werden kann und die Durchführung neuartiger Missionen ermöglicht. In diesem Projekt werden die wichtigsten Aspekte solcher Fluggeräte untersucht. Die Missionsparameter und Einsatzgebiete werden analysiert und entsprechende Konfigurationskonzepte für die verschiedene Missionstypen erarbeitet und bewertet. Nach diesen Voruntersuchungen („Preliminary Design“) werden die Parameter der vielversprechendsten Konfiguration für die maximale Missionsleistung optimiert. Einhergehend mit dieser Detailauslegung („Detailed Design“) werden essentielle Subsysteme identifiziert, konstruiert und eingehend getestet. Im Anschluss an die Detailauslegung werden Prototypen der Fluggeräte mithilfe der lehrstuhleigenen Werkstätten gefertigt und im Flugversuch getestet. Damit wird für jedes umgesetzte Konzept ein kompletter Zyklus im Flugzeugentwurfsprozess durchlaufen. Der Fokus liegt auf unbemannte Fluggeräte mit einem maximalen Abfluggewicht von 5 kg – 150 kg. Als Antriebssysteme wird hauptsächlich auf elektrische Systeme zurückgegriffen (eVTOL UAV).

Im Projekt ProFla entsteht eine aeroelastische Prozesskette, mit welcher Kleinflugzeuge mit hochgestreckten Tragflügeln bereits in einem frühen Entwurfsstadium effizient entwickelt und sicher zugelassen werden können. Dies umfasst neben der Erforschung der instationären Aerodynamik moderner Laminarprofile insbesondere die Entwicklung einer numerischen Toolkette und deren Validierung durch umfangreiche Boden- und Flugversuche. Hierfür werden geeignete Berechnungsmethoden implementiert, die eine automatische Anpassung der Simulationsmodelle an experimentelle Ergebnisse ermöglichen sollen.

Das Projekt wird gefördert im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms LuFo VI-1 durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.

Dank moderner rechnergestützter Konstruktions- und Simulationsprogramme, werden Flugzeugsysteme stetig optimiert. Jedoch bedarf es zusätzlich an hardwareseitigen Tests, um sicherzustellen, dass Funktions- und Zuverlässigkeitsanforderungen an die Bordsysteme erfüllt sind. Die Iron-Bird-Testumgebung bietet eine flexible Plattform für die Evaluation u.a. der Funktionalität des Flugsteuerungssystems, der Avionik-Busse und des Leistungsverteilungsnetzwerkes. Die dedizierte elektromechanische Ausstattung ermöglicht die Hardware-in-the-Loop-Versuchsdurchführung unter vorgegebenen Bedingungen und die Aufzeichnung eines breiten Spektrums an Parametern mit hohen Abtastraten.

Ziele:

• Unterstützung des Entwurfs und der Integration von unbemannten Flugdemonstratoren
• Vorbereitung von unbemannten Fluggeräten für die Implementierung von neuartigen Flugzeugsystemarchitekturen
• Sicherstellung der Einhaltung von funktionalen und Zuverlässigkeitsspezifischen Anforderungen

FLEXOP project, the predecessor of FLiPASED, was where the Institute has started its work in the field of multidisciplinary aircraft design. Created within the Horizon 2020 framework (funded by the European Union), the research work of the project was focused on aeroelasticity and flutter modelling, while the design team was responsible for overall design of the demonstrator used for testing the innovative active flutter suppression methods. The result was a 65kg, 7m wingspan UAV with interchangeable wing sets, each built to investigate a specific aeroelastic problem. The demonstrator went through flight testing, generating real-life data as a supplement for the simulations.

Building on this, the FLiPASED (Flight Phase Adaptive Aero-Servo-Elastic Aircraft Design Methods) project was launched within the same Horizon 2020 framework. The goal of the project is to further advance the methods in integrated aircraft design, coupling in between the areas of aeroelasticity, flight control methods, as well as certification and instrumentation. More than 10% fuel efficiency improvement and 20% reduction in peak amplitude of the gust response, as well as a 50% reduction of number of distinct models used during the development and certification process are set as project goals. The project will raise the efficiency of a currently separately existing development toolchains. It will develop methods and tools for very accurate flexible-mode modelling and flexible aircraft control synthesis, the accuracy of which will be validated using the FLEXOP UAV demonstrator. The results will be shared along with design requirements and standardized interfaces in an open source approach.

Moderne Segelflugzeuge fliegen sowohl im langsamen Thermikkreisflug, als auch im schnellen Vorflug dazwischen. Das Ziel ist eine möglichst hohe Gesamtgeschwindigkeit. Aus Sicht der Aerodynamik ist ein Kompromiss notwendig zwischen den beiden Flugzuständen bei zwei Auftriebsbeiwerten. Durch das Ändern der Flügelwölbung kann der Kompromiss verkleinert werden. Dies kann beispielsweise durch eine konventionelle Wölbklappe an der Flügelhinterkante erreicht werden. Im Projekt MILAN wird zusätzlich zur Wölbklappe die Vordersektion elastisch verformt, was in der heruntergemorphten Stellung zu einem höheren maximalen Auftriebsbeiwert innerhalb der Laminardelle führt. Das erlaubt es, die Flügelfläche und damit die umströmte Oberfläche zu verkleinern, wobei die Kreisflug- und Überziehgeschwindigkeit beibehalten werden kann. Die maximale Flächenbelastung dagegen kann erhöht werden. Dadurch ergeben sich sowohl eine höhere maximale Gleitzahl, als auch höhere Gleitzahlen bei hohen Geschwindigkeiten.

Das Projekt wurde gefördert im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms LuFo V-3 durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.

Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts FLEXOP (Flutter Free FLight Envelope eXpansion for ecOnomical Performance improvement) sollen neue Methoden zum Entwurf von aktiven und passiven Systemen zur Flatterdämpfung von sehr leichten und damit flexiblen Flügelstrukturen entwickelt und validiert werden.Unter dem Schirm des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon2020 der Europäischen Union arbeiten Partner aus Industrie und Forschung aus 6 verschiedenen Ländern an Regelalgorithmen, Aktuatoren, Entwurfsoptimierung, sowie an einem unbemannten Flugdemonstrator mit 7m Spannweite und Turbinenantrieb, an dem die gefundenen Ansätze erprobt werden sollen.

The idea of a virtual aircraft model, which allows virtual flight tests to predict aircraft loads and performance is part of the research project VitAM. The combination of structural and aerodynamic models with an application background on highly flexible wing structures to a unified coupled aeroelastic aircraft model is in research focus.

Aktuelle Flugsteuerungssysteme von Verkehrsflugzeugen bestehen aus hochoptimierten Steuerflächen, die bisher je nach Funktion und Kritikalität als primär oder sekundär eingestuft werden. Dieses überwiegend wissensbasierte und monofunktionale Design beschränkt sich aber oft auf kleine und lokale Verbesserungen unter hohem Aufwand. Ein vielversprechender Ansatz um die Effizienz oder Leistung des Flugzeugs zu steigern, ist dabei die funktionale Erweiterung des Flugsteuerungssystems durch den Einsatz neuer Technologien oder Konzepten. Daher entwickelt der Lehrstuhl eine Vorentwurfsmethodik für fortschrittliche Flugsteuerungssysteme mit multifunktionalen Steuerflächen und -systemen. Dieser integrierte Ansatz umfasst das den Entwurf der Flugsteuerungskonfiguration, die Systemarchitektur und die Massenabschätzung im Rahmen des Flugzeugkonzeptentwurfs bzw. Flugzeugvorentwurfs.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Prozesses zur Identifizierung und Förderung von innovativen Zukunftskonzepten, die sich sowohl durch einen hohen potenziellen Nutzen als auch durch hohe Risiken bei der Umsetzung auszeichnen.

Entwurf eines BWB (Blended Wing Body) und eines CWB (Carry-through Wing Box Aircraft)

Entwurf eines fliegenden autonomen Versuchsträgers.

Am Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme werden Methoden und Modelle zum Entwurf und zur Optimierung der elektrischen und hybriden Antriebsarten innerhalb des Flugzeugentwurfsprozesses entwickelt.

Das Projekt Sagitta, benannt nach einer Sternenkonstellation, wurde 2011 von CASSIDIAN initiiert. Ein Technologiedemonstrator mit niedriger Streckung wird in Zusammenarbeit von mehreren Instituten der TUM, deutschen Forschungseinrichtungen und der Industrie entwickelt.

In diesem Kontext wird ein Technologiekonzept für eine Nurflügelkonfiguration mit geringer Streckung und ohne vertikale Leitwerke entwickelt, das die gewünschte Steuerwirkung ohne bewegte Bauteile, wie z.B. Klappen, erzielt.

Die Reduktion von bewegten Bauteilen ist auch für Schubvektorkonzepte interessant, um aktiv die Flugsteuerung zu unterstützen. Auf diesem Gebiet werden neue Konzepte untersucht und entwickelt, dessen Technologiereife auf dem fliegenden Demonstrator gezeigt werden soll.

Eine Teildisziplin des Schwerpunktbereichs Flugzeugentwurf ist die Analyse von modellbasierten Verfahren zur Steigerung der Effizienz von Flugzeugentwurfsprozessen.

Entwurf eines neuartigen Flugzeugkonzepts, der Blended Wing Body (BWB), eine Nurflügelkonfiguration mit Rumpfintegration.

Im Rahmen der dritten Phase des Projekts DemUEB werden operationelle und technische Lösungen zur Verwendung von Unmanned Aerial Systems (UAS) für zivile Anwendungen in Bayern erarbeitet.