Development of design methodologies on the trailing edge architecture and application of variable camber to a segmented flap system

Stephan, Ralph; Chakraborty, Imon; Stumpf, Eike

doi:10.18154/RWTH-2025-04982

Development of design methodologies on the trailing edge architecture and application of variable camber to a segmented flap system = Entwicklung von Entwurfsmethodologien für die Flügelhinterkantenarchitektur und Anwendung von variabler Wölbung auf ein segmentiertes Klappensystem

Stephan, Ralph^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ralph Stephan

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stumpf, Eike (Thesis advisor)^RWTH* ; Chakraborty, Imon (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-04-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04982
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1012296/files/1012296.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) (415310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
high-lift control devices (frei) ; preliminary aircraft design (frei) ; variable camber (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Effizienzsteigerung von Verkehrsflugzeugen spielt eine zentrale Rolle bei der Reduzierung der Klimawirkung der Luftfahrt vor dem Hintergrund des globalen Klimawandels. Die Optimierung aerodynamischer Eigenschaften bietet dabei ein großes Potenzial zur Treibstoffeinsparung und Emissionsreduktion. Zudem gewinnen Technologien zunehmend an Bedeutung, die auf klimaoptimierte Flughöhenvariationen mit einer Anpassung der Flügelgeometrie während des Fluges reagieren können. Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Prinzip einer variablen Wölbung durch segmentierte Hinterkantenklappen auf der Ebene des Gesamtflugzeugs zu untersuchen. Ferner wurden Methoden entwickelt, die es ermöglichen, die für die variable Wölbung essentiellen Hinterkantenklappen im Flugzeugvorentwurf präzise zu modellieren. Darüber hinaus wurde für valide Aussagen die longitudinale Trimmung mit einer neuen Methodik sichergestellt. Dazu wird zunächst ein Satz an Methodiken entwickelt, welche zur Auslegung der Steuerflächen dienen, die anschließend mit variabler Wölbung eingesetzt werden. Dies umfasst die Optimierung von Hochauftriebskonfigurationen, die Modellierung der Klappenlasten in verschiedenen Flugbereichen und die Auslegung von Aktuatoren. Je nach Anwendungen kommen dabei neuronale Netze, Strömungssimulationen oder Regressionen aus bestehenden Daten zur Anwendung. Anschließend erfolgt auf Gesamtflugzeugebene innerhalb der Flugzeugvorentwurfsumgebung MICADO des Instituts für Luft- und Raumfahrtsysteme der RWTH Aachen University die Anwendung von variabler Wölbung als Retrofitdesign auf segmentierten Hinterkantenklappen. Zur Einordnung des berechneten Potenzials zur Kerosineinsparung wird das vorgegebene Referenzflugzeug sowohl mit einer hinsichtlich der Verwindungsverteilung optimierten Referenz, als auch einer kombinierten Anwendung aus optimierter Verwindungsverteilung und variabler Wölbung verglichen. Für alle entwickelten Modelle und Methodiken konnten unter Berücksichtigung der reduzierten Datenverfügbarkeit auf Vorentwurfsebene hohe Vorhersagegenauigkeiten gezeigt werden. Dabei wird auch die zur Verfügung stehende Rechenzeit berücksichtigt. Auf der Ebene des Gesamtflugzeugs variieren die Potenziale je nach angewendetem Flugzeugtyp, wobei eine Kerosinverbrauchsreduktion von bis zu 3,5 % erzielt wird, wenn variable Wölbung auf ein vorher hinsichtlich der Verwindung optimiertes Flugzeug angewendet wird. Die Segmentierung von Hinterkantenklappen zeigt ein Steigerungspotenzial gegenüber der Referenzkonfiguration. Die Potenzialsteigerung ist insbesondere von Relevanz, wenn Flugzeuge nicht im Designoptimum betrieben werden. Dies wird zunehmend wichtig, um die Klimaauswirkungen bestehender Flugzeuge zu minimieren, etwa durch Flugrouten in alternativen Höhen, um die Bildung langlebiger, durch Kondensstreifen verursachter Zirruswolken zu vermeiden.

Enhancing the efficiency of commercial aircraft is crucial in the context of the global climate change in order to reduce the share of the environmental impact of aviation. The optimization of aerodynamic characteristics offers great potential for saving fuel and reducing emissions. In addition, technologies that can respond to climate-optimized flight altitude variation by adapting the wing geometry during flight become more important in the future. The aim of this thesis is to investigate variable camber principles applied to a segmented trailing edge flap on the overall aircraft level. Furthermore, methods need to be developed that allow the trailing edge flaps, which are essential for variable camber, to be precisely modeled in the preliminary aircraft design stage. Moreover, the thesis introduces a new methodology to ensure valid longitudinal trimming in the iterative design process. To achieve this, a set of methodologies will first be developed for the design of control surfaces, which will later incorporate variable camber. This development includes the optimization of high-lift configurations, the modeling of flap loads in different flight regimes, and the design of actuators. Depending on the application, techniques such as neural networks, fluid simulations, or regression models from existing data are employed. Subsequently, variable camber is applied as a retrofit design to segmented trailing-edge flaps within the preliminary aircraft design environment MICADO of the Institute of Aerospace Systems of the RWTH Aachen University. In order to classify the potential for fuel savings calculated for a variable camber application, the given reference aircraft is compared with an optimization of the twist distribution and finally with a combined application. High predictive accuracies have been demonstrated for all developed models and methodologies, considering the limited data availability at the preliminary design level and the available computing time. At the overall aircraft level, the potential of a variable camber application varies by aircraft type, with a 3.5 % reduction in fuel consumption when applied to an aircraft with a previous wing twist optimization. The segmentation of trailing edge flaps shows a slight but noticeable fuel savings potential, depending on the reference aircraft under investigation. The increase in fuel savings potential is particularly relevant when aircraft operate outside their design optimum. This aspect might become increasingly important for minimizing the climate impact of existing aircraft by altering flight routes to alternative altitudes, such as to avoid the formation of long-lasting contrail-induced cirrus clouds.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)