Das Projekt A01 wird für Konfiguration 1a in SynTrac ein realistisches high-fidelity Windkanalexperiment mittleren Maßstabs entwerfen und durchführen. Dies umfasst ein austauschbares Modell des hinteren Rumpfes mit einer Kraftmessung und elektrisch angetriebenen Modellen der Propulsoren (Electric Propulsor Simulators, EPS). In enger Zusammenarbeit mit den Projekten A02, C03 und B04 werden die mit diesem Modell in der PTF (Propulsion Test Facility) generierten Daten zur Validierung der Leistungsbilanzmethode verwendet. Sie tragen damit dazu bei, die Lücke in der Schub-Widerstands-Bilanzierung bei hochintegrierten Antriebssystemen zu schließen. Dies wird die vollständige Berücksichtigung und Bewertung neuer Technologien für die Schnittstelle zwischen Flugzeugzelle und Antrieb wie Grenzschichteinsaugung (Boundary Layer Ingestion, BLI), Schubvektorsteuerung und Wärmemanagement ermöglichen.

Das Projekt A02 trägt eine umfassende Bewertungsmethode und die entsprechenden praktischen Werkzeuge zu SynTrac bei, die die Berechnung von Strömungsverlusten bei Flugzeugen und mögliche Energieeinsparungen durch die Integration von Antrieben ermöglichen. Projekt A02 wird eine methodische Erweiterung für die Bewertung aller Arten von Strömungsverlusten bereitstellen. Dabei wird das gesamte Strömungssystem mit Methoden analysiert, die auf einer erweiterten Leistungsbilanz und der Anwendung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik basieren. Dies ermöglicht auch eine detaillierte Analyse der Zusammensetzung der Entropieproduktion und der Verluste. Die erweiterte Leistungsbilanz wird mit Hilfe von Daten aus den Experimenten im Projekt A01 validiert.

In Projekt A03 wird die synergetische Nutzung von Antriebskonzepten zur Bereitstellung von Schub und gleichzeitiger Unterstützung der Flugsteuerungsfunktionen untersucht. Dies erfolgt mit Hilfe detaillierter aerodynamischer Studien vollständiger Konfigurationen die mit maßgeschneiderten hochrealistischen Simulationsmethoden durchgeführt werden. Aufbauend auf den konzeptionellen Design-Informationen werden CAD-Darstellungen aller drei Konfigurationen, 1a, 1b und 2a, erstellt und bereitgestellt. Die aerodynamischen Untersuchungen werden aerodynamische Leistungsdaten liefern, aber auch Interferenzphänomene aufzeigen. Dabei werden die flügelmontierten, verteilten Antriebskonzepte, die heckseitige BLI Konfiguration und die Konfiguration mit heckseitigen, gestielten Strahltriebwerken untersucht. Darüber hinaus liefert das Projekt A03 den Input für die flugmechanische Bewertungen aller drei Antriebsintegrationskonzepte. Technologische Fortschritte aus anderen Projekten auf Komponentenebene werden integriert und bewertet.

Das Projekt A04 trägt fortschrittliche Methoden der Steuerungszuweisung bei, mit denen die neuen Freiheitsgrade, die durch verteilte Antriebe und Schubvektorsteuerung entstehen, voll genutzt werden können. Die Zuordnung von Aktuatorik zu Kraft und Drehmoment wird multivariabel, nichtlinear und unsicher. Genau diese Zuordnung muss für jedes Flugsteuerungssystem invertiert werden. Im Hinblick auf die Zertifizierung muss jeder Invertierungsalgorithmus in Echtzeit anwendbar sein. Er darf nicht konservativ sein und vor allem müssen Rechengrenzen garantiert sein. Außerdem muss es möglich sein, Ausfälle von Aktuatoren zu berücksichtigen. All diese zertifizierungsbedingten Einschränkungen erschweren das gesamte Invertierungsproblem. Das Ziel dieses Projekts ist es, das Steuerungspotenzial neuer verteilter und/oder integrierter Antriebskonfigurationen in SynTrac auszuschöpfen. Die Lösung wird auf zwei Arten angegangen: Modellbasiert und datengesteuert.

Projekt A05 trägt Open-Source-Flugdynamikmodelle bei, die es erlauben alle Erkenntnisse aus den aerodynamischen Untersuchungen, die Fortschritte beim Antrieb und die neuen Flugregelungs- (und Allokations-) Algorithmen zu integrieren. Somit gehen diese Modelle über den aktuellen Stand der Technik hinaus und erlauben die Analyse und Erforschung der Handling-Eigenschaften. Es werden neue Methoden zur Flugdynamikmodellierung untersucht und ein Modul bereitgestellt, das die Handling-Eigenschaften sowohl für den verteilten Antrieb als auch für die Schubvektorsteuerung möglichst automatisch auswertet. Weiterhin soll untersucht werden, inwieweit sich die Flugeigenschaften durch Ausnutzung der Konzepte des verteilten Antriebs oder der Schubvektorsteuerung in Verbindung mit neuen Regelungsalgorithmen noch verbessern lassen.

Das Projekt A06 integriert eine Vielzahl von Einzeleffekten der SynTrac-Leitkonfigurationen auf der Ebene des Flugzeugs. Dies geschieht auf der Grundlage eines konzeptionellen Flugzeugentwurfs, der sich auf die Ergebnisse vieler Projekte stützt und daher innerhalb von SynTrac stark verknüpft ist. Dies erfordert neuartige Entwurfsmethoden, die den Workflow des konzeptionellen Flugzeugentwurfs auf insgesamt drei Ebenen erweitert und so den Weg zu einer zukünftigen, System-of-Systems (SoS) inspirierten Werkzeug- und Methodenentwurfsumgebung ebnen.

A07 adressiert ein zentrales Ziel von SynTrac, nämlich die effiziente Zusammenführung aller beteiligten Fachdisziplinen zur ganzheitlichen Optimierung von Flugzeugkonzepten unter Ausnutzung maximaler Synergieeffekte der hochintegrierten Flugzeug(sub)systeme. Dieser ganzheitliche Ansatz erfordert eine angepasste Parametrisierung und Informationsverarbeitung sowie neue Methoden, um die verschiedenen Analysemethoden, Werkzeuge und Datenformate effizient zu integrieren. Beispiele dafür sind die Generierung von Ersatzmodelle mitels künstlicher Intelligenz sowie automatsierte adaptive Optimierungsprozessabläufe.

B01 widmet sich der Untersuchung grundlegender Phänomene und Einflussfaktoren die bei der funktionalen Integration von Wärmeübertragungsstrukturen zur verbesserten Nutzung von Abwärme in hochintegrierten Antriebssystemen auftreten. Die hohen Wärmemengen, die innerhalb der gegebenen räumlichen Grenzen des Gaskanals der Antriebe übertragen werden müssen, erfordern die Intensivierung der Wärmeübergang durch mikrostrukturierte Oberflächen. Der mit dem Einsatz solcher Mikrostrukturen einhergehende Druckverlust und die Verschmutzung der Strukturen durch Partikel in der Strömung sollen in diesem Projekt untersucht werden. Dies wird durch vereinfachte Experimente und skalenauflösende numerische Berechnungen erreicht. Das Ergebnis ist ein Ersatzmodell, das im Rahmen von SynTrac ausgetauscht wird.

Das Projekt B02 befasst sich mit der Erforschung lokaler, instationärer aerodynamischer Wechselwirkungen zwischen Propeller und Laminarflügel. Um den Gesamtwirkungsgrad eines Flugzeugs zu erhöhen, soll untersucht werden, ob ein Bereich laminarer Strömung trotz des Einflusses der Propellerströmung auf den Grenzschichtumschlag beibehalten werden kann. Das Projekt basiert auf hochauflösenden CFD-Simulationen mit dem DLR-Strömungslöser TAU sowie zeitaufgelösten Experimenten in einem Laminarwindkanal. In der ersten Förderphase werden grundsätzlichen Parameterabhängigkeiten der Propeller-Flügel-Interaktionen identifiziert. Dabei werden eine integrierten Designmethode entwickelt die auf Ersatzmodellen basiert und Multi-Fidelity-CFD-Methoden kombiniert. In den folgenden Förderphasen werden der Propeller und die Form eines widerstandsarmen Laminarflügels so optimiert, dass der Gesamtwirkungsgrad erhöht wird.

Formveränderliche Strukturen bzw. Morphing-Technologien könnten durch wesentlich stärkere Funktionsintegration einen deutlichen Technologiesprung ermöglichen. Zur Realisierung eines formveränderlichen Triebwerksauslasses muss die adaptive Struktur jedoch doppelt gekrümmt sein, um einen geschlossenen Querschnitt zu bilden. Projekt B03 verfolgt einen biomimetischen Ansatz zur Formveränderung auf der Basis von druckaktuierten zellulären Strukturen (PACS). In diesem Forschungsprojekt wird der PACS-Ansatz auf doppelt gekrümmte Strukturen mit geschlossenem Querschnitt angewandt, um Schubvektorsteuerung und eine variable Düsenfläche zu ermöglichen.

Im Rahmen des Projekts B04 werden neue aero-thermodynamische Effekte von Triebwerken mit niedrigem spezifischem Schub- und Druckverhältnis untersucht, deren Abgassysteme in den steilen Bereichen der Strömungs- und Schubkennlinien betrieben werden. Dies umfasst ungleichmäßige Strömungsbedingungen in der Zu- und im Abströmung. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Rückwirkung auf die Aerodynamik und Leistung des Bläser (Fan). Die instationäre Leistungsberechnung, um die Abwärmerückgewinnung und die wasserrückgewinnende Abgasbehandlung sowie eine moderate Schubvektorsteuerung erweitert. Das Modell wird so erweitert, dass die in SynTrac erarbeiteten Methoden zur Leistungsbilanz zwischen Flugzeug und Triebwerk angewandt werden können und so detaillierte aero-thermodynamische Ergebnisse mit Modellen reduzierter Ordnung innerhalb von SynTrac verbunden werden.

Eines der Hauptziele des Projekts ist die Einbeziehung der Akustik in den Vorentwurfsprozess, um eine umfassende Bewertung zu gewährleisten. Untersucht werden die Auswirkungen von hochintegrierten Transportflugzeugen auf den Kabinenlärm. Bei den Untersuchungen wird ein deutlicher Schwerpunkt auf die von SynTrac verfolgte Idee einer disziplin- und systemübergreifenden Integration gelegt. Die Schallfelder werden in frühen Entwurfsphasen durch geeignete Mid-Fidelity-Modelle des gesamten Flugzeugs zugänglich gemacht. Dazu wird eine konfigurationsabhängige Auswahl der erforderlichen Modellierungsaspekte sowie eine design-loop-gerechte numerische Lösung untersucht. Das neuartige Konzept erfordert eine gezielte Reduktion von wellenauflösenden, high-fidelity FE-Simulationen.

B06 untersucht die strukturelle Integration der Hecktriebwerke, wie sie in den Konfigurationen 1a (mit BLI) und 1b (gestieltes Triebwerk) geplant sind. Dabei werden Entwurfslösungen für die systemübergreifende Integration der Flugzeugheckstruktur entwickelt, die in den Gesamtentwurf zurückgeführt werden. Mit Fokus auf die gesamte Heckstruktur und die Triebwerksaufhängungen werden neue technologische Bausteine wie formändernde und auxetische Strukturen betrachtet. Es werden neuartige Lösungsansätze für die multidisziplinäre Entwurfsoptimierung (MDO), neue grundlegende Methoden für maschinell erlernte (ML) Ersatzmodelle und polymorphe Unsicherheitsquantifizierung (PUQ) entwickelt, um die Synergien und Potenziale der multidimensionalen Funktionsintegration zu nutzen.

Das höhere Gewicht neuartiger Energiespeicherlösungen in Flugzeugen erfordert ein höheres Leichtbaupotenzial sowie lastpfadorientierte orthotrope Gestaltungsmöglichkeiten. Darüber hinaus werden auch neue Funktionalitäten wie optimierte Wärmeverteilungszonen benötigt. Im Projekt C01 wird daher das Potenzial eines strukturintegrierten Wärmemanagements unter Verwendung von Hybridlaminaten mit kontinuierlicher (faserverstärkte Polymere mit Graphen-Materialien dotiert) und diskreter (Faser-Metall-Laminate, Hybridisierung) Funktionalisierung untersucht. Die Untersuchungen werden experimentelle und numerische Methoden umfassen, die geeignet sind, dedizierte intra- und interlaminare Wärmestrompfade dieser Verbundwerkstoffe mit realistischen Randbedingungen z.B. für die thermische Konvektion in einer dedizierten Testkammer zu entwerfen und zu validieren.

Dieses Projekt betrachtet poröse Medien zur Integration in verschiedene Flugzeugkonfigurationen als vielversprechende Technologie für verschiedene Anwendungen wie Abgasnachbehandlung und Abwärmerückgewinnung. Ein wichtiger physikalischer Querschnittsaspekt ist dabei die Kondensation aus der Dampfphase und die Ableitung des Kondensats. Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen den mikroskopischen Prozessen und ihrer makroskopischen Wirkung ist eine wesentliche Voraussetzung für die erfolgreiche Nutzung poröser Medien. Um dieses Ziel zu erreichen, kombinieren wir in diesem Projekt komplementäre experimentelle und numerische Methoden.

Im Projekt C03 wird die Bedeutung der Einlaufgestaltung für hochintegrierte Hecktriebwerke für die Gesamteffizienz des Flugzeugs untersucht. Es werden verschiedene Einlaufformen entwickelt und sowohl für ein Flugzeug in Originalgröße als auch für das Windkanalmodell (Projekt A01) optimiert. Darüber hinaus wird das Potenzial aktiver Strömungskontrollmethoden zur Anpassung der inhomogenen Strömung im Einlauf erforscht und bezüglich des Einflusses auf die Gesamtenergiebilanz des Flugzeugs bewertet. Der Entwurf wird auf detaillierten numerischen Simulationen des Ansaugbereichs beruhen. Zur Validierung der Entwurfsmethode wird C03 auch an einem Windkanalversuch (Projekt A01) teilnehmen und ein geeignetes Modell des Einlaufes entwerfen und anfertigen.

Im Projekt C04 wird die Entwicklung einer effizienten, genauen und prädiktiven Simulationsmethode verfolgt, die eine detaillierte Untersuchung der Auswirkungen struktureller Nichtlinearitätsquellen auf den Kabinenlärm in zukünftigen hochintegrierten Flugzeugen ermöglicht. Die strukturellen Übertragungspfade von Schwingungen und Lärm in Flugzeugen bestehen aus vielen Komponenten, die z.B. über Nieten und Bolzen mechanisch verbunden sind. Es ist bekannt, dass solche mechanischen Verbindungen zu einer signifikanten Schwingungsamplitudenabhängigkeit der effektiven Steifigkeit und Dämpfung an den Bauteilschnittstellen führen, insbesondere bei erhöhten Schwingungsdynamiken zukünftiger Flugzeugkonstruktionen. Die „Harmonic Balance Method“ ist in der Lage, Vorhersagen für solche Fälle zu liefern, ist aber sehr rechenaufwändig, wenn sie für akustische Zwecke verwendet wird. Um diesen Herausforderungen Rechnung zu tragen, wird eine Berechnungsmethode entwickelt, die die „Harmonic Balance Method“ mit Ideen aus der Multi-Fidelity-Modellierung kombiniert und sich besonders für die Vorhersage von akustischen Größen eignet.

Im Projekt C05 werden die akustischen Druckschwankungen an der Rumpfoberfläche vorhergesagt, die von einem komplexen Schubvektor-Antriebssystem erzeugt werden. Es werden Konfigurationen mit gekapselten und dicht integrierten Triebwerken betrachtet. Darüber hinaus wird die akustische Relevanz von Morphing-Techniken in Bezug auf die Verformung der Düse und des hinteren Rumpfes untersucht. Diese Druckdaten werden über eine Schnittstelle an einen Strukturcode gekoppelt, um die Kabinenerregung zu analysieren. Um alle Quellmechanismen zu erfassen, wird das hocheffiziente Quellenmodellkonzept von Tam & Auriault verallgemeinert, um Beschleunigungen durch Installation und Schubvektorisierung sowie die Interaktion des konvektiven Drucknahfeldes mit Oberflächen zu ermöglichen. Dieser erweiterte Ansatz wird durch zonale LES-Simulationen validiert.

Um von den Effizienzgewinnen eines integrierten Systemdesigns – in diesem Fall mit verteilten Antrieben – zu profitieren, ist die Akzeptanz der Technologie in der Bevölkerung von größter Bedeutung. Akustik und Lärm sind ein wichtiger Faktor dafür. Das Ziel von C06 ist es daher, eine genaue Vorhersage der wichtigsten Parameter der Schallerzeugung und -ausbreitung zu ermöglichen und darüber hinaus die Akustik in die Optimierungsschleife für das gesamte Flugzeug zu integrieren.

SynTrac schafft ein großes, standortübergreifendes und interdisziplinäres Forschungsnetz, das die traditionell starren Hierarchien und Prioritäten der derzeitigen Flugzeugentwicklung auflöst, um die Synergien hochintegrierter Verkehrsflugzeuge schöpfen. Dies ist besonders für junge Forscher eine Herausforderung. Daher ist ein strukturiertes Graduiertenkolleg, das die Doktoranden unterstützt, unerlässlich, um die folgenden strategischen Ziele zu erreichen: Wissenschaftliche Exzellenz der Doktorarbeit, vertiefte standortübergreifende und interdisziplinäre Forschung, optimale individuelle Qualifizierung, frühe wissenschaftliche Selbstständigkeit, internationaler wissenschaftlicher Austausch und Vernetzung und eine gemeinsame Arbeitskultur, die die Kompetenzen aus allen relevanten Bereichen vereint.

Das INF-Projekt soll sicherstellen, dass a) Forschungsdaten, b) Forschungssoftware und c) Modelle, die im Rahmen von SynTrac entstehen, den sogenannten FAIR-Leitprinzipien entsprechen. Dies Prinzipien fordern, dass sie auffindbar, zugänglich, kompatibel und wiederverwendbar sind. Auf diese Weise unterstützt das INF-Projekt die Regeln guter wissenschaftlicher Praxis, indem es würdigt, dass die Verwaltung und die langfristige Archivierung von Forschungsdaten eng mit der Nachhaltigkeit von Forschungssoftware verbunden sind.

Die Unterstützungsstruktur CA ist das operative Rückgrat unserer Forschungsgruppe und sorgt für eine wirksame Koordinierung und Verwaltung der verschiedenen Aktivitäten. Unter der Leitung unserer Sprecherin und des Geschäftsführers konzentriert sich die Struktur auf die Finanzaufsicht, die strategische Planung und die Organisation wissenschaftlicher Veranstaltungen, während sie gleichzeitig den Verwaltungsausschuss und die Generalversammlung wesentlich unterstützt. Die zentrale Aufgabe ist es, die wissenschaftliche Zusammenarbeit zu fördern und den Fortschritt in SynTrac voranzutreiben.

Die Grundlagenforschung von SynTrac hat angesichts des Strebens nach einer umweltverträglichen Luftverkehrsindustrie und der damit notwendigen Transformation des Luftverkehrssystems eine hohe gesellschaftliche Bedeutung. Im damit verbundenen öffentlichen Diskurs ist es wichtig, einer breiten Öffentlichkeit zu vermitteln, welche Herausforderungen damit verbunden sind und wie die Grundlagenforschung dazu beiträgt, die Umweltauswirkungen des gesellschaftlichen Bedürfnisses nach Mobilität zu minimieren. Gleichzeitig ist es wichtig, mit der breiten Öffentlichkeit in einen echten Dialog zu treten, um die gesellschaftlichen Erwartungen besser zu verstehen. An dieser Schnittstelle zwischen der Grundlagenforschung von SynTrac und der Gesellschaft ist das PR-Projekt angesiedelt.