Fra computer til virkelighed

Motivationen og fascinationen af deres eget produkt er tydeligt, når man besøger fabrikken ved foden af Wasserkuppe:

”Det er en stor personlig glæde og rigtigt spændende for mig at deltage i et projekt som AS 33, hvor vi med udgangspunkt i gennemprøvede designs forsøger at hæve den aerodynamiske performance ved hjælp af de nyeste teknikker”

Det siger ingeniøren Ulrich Simon. Han har studeret til flyingeniør på Stuttgarts Universitet og kom til Schleicher i 2017, hvor han har specialiseret sig i anvendelsen af simuleringssoftware.

AS-teamet i dag med den nye AS 33-vinge: Fra venstre Paul Anklam, Ulrich Simon, Tobias Mörsel og Joschka Schmeisl. Ingeniøren Manfred Münch er også en del af teamet, men fungerer her som fotograf.

”ASG 29, som har vist sig som en meget succesfuld konstruktion, fløj for 13 år siden, og nu er vi startet på næste kapitel”. Det siger Joschka Schmeisl, produktions – og konstruktionschef hos Schleicher:

‘”Denne friske start giver os mulighed for at anvende numeriske strømningssimuleringer for at forbedre flyets performance. Den fuldstændigt nyudviklede 18 metervinge med bare 10 kvadratmeter vingeareal har potentielt en meget høj vingebelastning og bedste glidetal ved høje hastigheder. Vi arbejder også med optimering mellem fuselage og vinger, og har i øvrigt også fokus på nye winglets, som skal minimere randhvirvler og dermed modstanden”, siger Schmeisl.

På baggrund af simuleringerne udvikler teamet nu en vingeprofil som skal testes i vindtunnel. Her forsøger man det svære kompromis, nemlig at udvikle en vinge, som har egenskaber som et moderne laminarprofil, fx med meget lav modstand men kombineret med høj opdrift (lift) under termikflyvning samt behagelige og sikre flyveegenskaber.

3 generationer af AS-designere. Fra venstre Michael Greiner, ASG-konstruktør i perioden 2000 – 2015. Martin Heide, ASH-konstruktør fra 1981-2018 og endelig Gerhard Waibel (1938 – ) her siddende i forsædet. Han designede alle ASW-fly og blev pensioneret i 2003 efter 39 år hos Schleicher.

Rudolf Kaiser (1922 – 1991) Designer af ASK-typerne. Pensioneret 1983 efter typecertificering af ASK 23.

Men de modeller som flyfabrikkerne anvender for at simulere de faktiske flyveforhold er ikke 100 % akkurate, for virkeligheden er ekstremt kompleks, hvilket gør det vanskeligt at indsamle data for validering af modellerne, siger Ulrich Simon:

”Mig bekendt findes der fx bare få modeller som kan beregne omslagspunktet fra laminar til turbulent strømning på et vingeprofil med sikkerhed, og disse data er ekstremt vigtige for en konstruktør. Går man ud fra et fejlagtigt udgangspunkt får man en helt anden profilmodstand og derved helt andre flyveegenskaber. Det kan være katastrofalt”.

Små forbedringer
”Der er bare små forbedringer at hente med CFD-analyse af vingeprofiler, men med fuselagen er der endnu et optimeringspotentiale mellem fuselage/vinge-overgang, den såkaldte interferensmodstand. Det samme gælder for rorfladerne og winglets, siger Ulrich Simon, som i øjeblikket koncentrerer sig på at analysere, hvor den mest optimale position er for montering af vingerne på fuselagen.

Ved placering på den øverste del af fuselagen, har man fin kontrol over det laminare flow. Men en placering længere nede er arealet for vingeovergangen mindre og derfor er den totale interferensmodstand lavere. Disse forhold kan man undersøge ganske enkelt med CFD-software, og derfor er det også muligt at køre flere simuleringer med varierende overgangs-profiler for at identificere den bedste løsning.

Simulering af AS 33-vingemontering med høj, mellem-høj og centreret position på fuselagen. Den centrerede position er totalt set den bedste placering, og blev derfor valgt af AS-teamet.

CFD-analyser giver sikkerhed
”I modsætning til andre nye typer fra andre producenter (fx Jonker JS3 som har en udpræget høj vingeposition, red.), så kom vi til den konklusion i udviklingsteamet, at en høj vingeplacering ikke er tvingende nødvendigt ud fra et modstands-argument. Vi har valgt en mellem-position og optimerer derfra”, siger Ulrich Simon og fortsætter:

”At vælge en variant i den midterste position giver størst mening, da dette giver mindst modstand ved høj hastighed. Men gennem simuleringerne har vi har også god kontrol over, hvor det laminare flow ”tripper” over i turbulent flow ved lav hastighed. Dette kan vi påvirke ganske markant gennem vinge/fuselage-overgangen.”

Joschka Schmeisl mener også, at de erfaringer og den sikkerhed som Schleicher har fået med CFD-beregninger er en stor fordel:

”I mange tilfælde bekræfter de vores traditionelle erfaringer og vis os ekstra optimeringspotentiale. Som et resultat af dette er vi en af de få producenter, som udvikler alt in-house, og det stiller os endnu bedre i den internationale konkurrence. Med over 80 års erfaring i udvikling og produktion samt en meget høj grad af vertikal integration oplever vi, at vi er godt bevæbnet til fremtiden, og nu kan vi hæve barren endnu højere”, siger han.

Digitalisering eller ej: Produktion af svævefly er endnu et håndværk, som kræver masser af erfaring. Her lægges hovedbjælken på AS 33.

Men udvikling er bare det halve arbejde. At få godkendt og certificeret nye fly kan være meget ressourcekrævende, og det kræver strukturelle beregninger og endeligt belastningsforsøg som dokumenterer, at fx vingerne og hovedbjælkerne strukturelt er korrekt dimensionerede. (AS 33 klarede vingetesten i maj måned, red.) Denne dokumentationer er omfattende og giver pondus til den populære ide om, at når vægten af dokumentationen overstiger flyets tomvægt, så er flyet klar til flyvning!

Specielt vanskeligt er det at beregne de komplekse komposit-komponenter. Dette er bare muligt takket være detaljerede digitale modeller med korrekte laminatdimensioner, som skabes i softwaren ANSYS Composite PrepPost, som er designet til præcis denne opgave.

Med digitaliseret udvikling kan man afprøve komponenternes indbyrdes position og funktion. Her ingeniøren Paul Anklam med en del af vingen på ASG 32. (foto: Jens Trabolt)

Flutter, nej tak
Som følge af den aerodynamiske udvikling gennem tiden er vingerne blevet længere og slankere (større sideforhold). Dette resulterer i højere strukturelle belastninger. Dertil kommer, at fuselagen gennem tiden også er blevet tungere fordi man kræver højere crashsikkerhed og flere instrumenter. Hovedparten af nye fly sælges også med motor. Alt dette skal bære af vingerne, som ofte har en tykkelse på mindre end 10 centimeter.

Med FEM (Finite Elements)-analyser har ingeniørerne et godt overblik over strukturen, herunder også hvor det er nødvendigt med ekstra forstærkninger på ekstra belastede områder. Dette overblik gælder også beregningerne af reservefaktorerne i vingekonstruktionen (alle certificerede svævefly skal leve op til kravene i CS-22-bestemmelserne). Simuleringerne er også en faktor, når en vinges flutter-egenskaber skal kortlægges.

Vingernes hovedbjælker er – som resten af vingerne – bygget af kompositmaterialer. Hovedbjælken er konstrueret sådan, at træk – og trykfastheden i kulfiberstrukturen udnyttes fuldstændigt. Derved kan man ret væsentligt reducere peak loads i limningen mellem hovedbjælkens over- og underside. Dette kan man simulere gennem en 3D-modellering.

Ønsker man at montere winglets, som i dag er et must på moderne profiler, så er det vigtigt, at vingen kan bære de høje og slanke konstruktioner. For at minimere modstanden yderligere, er opdrifts-(lift)-distributionen i overgangsområdet mellem vinge og winglet optimeret gennem ændringer i profil og aerodynamisk vridning. Der er cirka 30 beregninger i denne optimeringsproces, og dette har givet et mere homogen wingletkonstruktion med et mere lineært og jævnt trykfald over hele radius.

I udviklingen af winglets er der endnu aerodynamiske fordele at hente. TIl venstre det første AS 33-winglet-design med markant trykminimum i overgangs-sektionen. Det giver drag. Til højre wingletgeometri efter CFD-optimering (Computional Fluid Dynamics) med en mere lineær trykgradient.

”Det er klart, at med en massiv anvendelse af simuleringsværktøjer har vi nu adgang til helt nye områder af færdigheder som vi før bare kunne drømme om, understreger Joschka Schmeisl:

”Dette har tilladt os at give AS 33 yderligere forbedringer, og det er bestemt et solidt fundament for fremtidige udviklinger. Vi er ikke, som før, stærkt afhængige af de tekniske universiteter eller konsulenter, og kan nu arbejde mere uafhængigt og afprøve flere ideer. Specielt i den tidlige udviklingsfase giver simuleringer flere ideer som, på baggrund af beregninger, giver et bedre grundlag for beslutninger”, siger han.

Selvfølgelig forventer Schleicher i Poppenhausen ingen sensationelle forbedringer i et nyt design, men djævlen ligger i detaljen, og gennem mange små ”performance tweaks” bliver der nu nok value for money for kunderne. The race is on!

AS 33 – første rigning af det “rå” fly.

AS 33 forventes af flyve senere på sommeren. (Læs reportage her) Schleicher har ikke annonceret endelige varianter, men mon ikke mindst en elektroturbo bliver en option?