Svævefly i videnskabens tjeneste

DLRs største og mindste testfly.

Link to automatic translation

DLR og dets forgængere har altid brugt forsknings-svævefly og svævefly på grund af deres enkelhed og meget lave driftsomkostninger. Flere forskellige modeller er blevet brugt i løbet af de sidste årtier, såsom en Ka6E, Cirrus, ASW 15, Kranich, Janus og den specielt modificerede DG-300/17.

En tilbagevendende mission, som Kranich og Janus var kendt for, var den “flyvende vindtunnel”. En test-rig bestående af et kort vingesegment og sidevægge blev monteret på næsen (Kranich) eller over vinge-skrogforbindelsen (Janus) for at måle vingeprofilets egenskaber, såsom modstand eller trykfordeling. Brugen af ​​svævefly var en stor fordel for denne opsætning, da grænselaget ikke kunne påvirkes af motorvibrationer.

En anden meget vigtig anvendelse af svævefly i aerodynamisk forskning er måling af præstationer. Der er flere metoder til at bestemme glidetallet for et fly, hvoraf sammenligningsmetoden er den mest nøjagtige og mindst tidskrævende.

Ved at bruge et svævefly, som er kalibreret præcist, så glidepolaren kendes nøjagtigt, og flyve i formation med et andet svævefly, som man er interesseret i at måle præstationer på, kan den ukendte hastighedspolar bestemmes ved at måle synkehastigheden i forhold til forskellige flyvehastigheder.

Ideelt set annulleres derfor enhver atmosfærisk forstyrrelse, og polaren kan bestemmes meget nøjagtigt på bare 2-5 flyvninger.

DLR Discus på Idaflieg sommertræf i 2016. Ofte flyver man tidligt om morgenen for at få en helt stabil atmosfære uden termisk aktivitet.

Den “hellige” DG 300 17 som nu er blevet afløst af Discus.

Måling af ASW 28 med DG 300-referencefly.

Performance-måling af yderst velpoleret JS3 under idaflieg-sommertræf med DLR-Discus som referencefly. (Yderst respektable L/D 57 blev målt – cirka 2 point over fabriks-data, red.)

Tidligere blev Ka6E, Cirrus og DG300/17 brugt til disse målinger ved hjælp af fotogrammetriske metoder som kunne dokumentere den relative lodrette hastighed mellem de to fly – senere blev GPS introduceret med DG300/17 og fortsatte med Discus-2c DLR, som nu gør brug af en GNSS-teknik.

På grund af udviklingen af ​​højtydende svævefly med glidetal på 1:50 eller mere, og stadig højere vingebelastninger, var DG300/17 efterhånden på grænsen af ​​det praktiske. Så i 2020 indså man behovet for et nyt forskningssvævefly, og eftersøgningen endte i Discus-2c DLR. Det blev introduceret i flåden i 2012 og var fuldt operationelt i 2015.

Fly og systemer

Discus-2c DLR er baseret på det velkendte 18m-svævefly Discus-2c fremstillet af Schempp-Hirth. Den har en tomvægt på 337 kg, en MTOM på 565 kg og et vingeareal på 11,39 m² (18 m).

Det grundlæggende fly blev modificeret på flere måder for at imødekomme vores særlige behov. Discus-kroppen er udstyret med et motorrum, som er hentet fra de selvstartende Ventus 3M-fly, men som i vores tilfælde bruges som et rum til måleudstyr. Dette rum har et aftageligt låg i stedet for motorklapperne i standardversionen for at minimere modstand.

Den mest fremtrædende modifikation af flykroppen er den store næsebom foran og over næsen. Den bruges til at opsamle total- og statisk lufttryk samt indfaldsvinkel (Angle of attack) og sideslip ved hjælp af en fem-hullers sonde i spidsen.

For at give en komplet serie luftdata er en total temperatursonde kombineret med en fugtighedssensor monteret på flykroppen under højre vinge. Flykroppen har desuden hardpoints i cockpitområdet til at fastgøre eksterne sonder til svæveflyet.

For at måle aerodynamiske belastninger i forskellige flyvetilstande er der indbygget 48 belastningssensorer og 22 målepunkter i vinger og skrog bl.a. ved hjælp af optiske sensorer (såkaldte Fiber Bragg Grating, red.)  Discus-2c DLR har desuden magnetometre og accelerometre på forskellige steder, som kan bruges i eksperimenter vedrørende aeroelastik og flyvemekanik. Alle styreflader (højderor, sideror, krængeror) har sensorer som måler udslag (deflektion). Sensordata registreres ved hjælp af et dataopsamlingssystem, som er placeret i ”motorrummet” bag piloten. Systemet drives af et LiFePo4-batteri med en kapacitet til flere timer.

Autopilot

For at reducere pilotens arbejdsbelastning og for at implementere præcist reproducerbare kontrolinput blev en eksperimentel digital autopilot integreret i svæveflyet. Den bruger elektromagnetiske lineære aktuatorer på højde- og krængeror.

For at holde systemet enkelt og for at undgå en kompleks certificering, kan aktuatorerne nemt afbrydes ved at slukke for strømforsyningen. Så er de stadig forbundet til styringen, men giver stort set ingen friktion i systemet.

Målingen af ​​glidepolarer ved hjælp af sammenligningsmetoden afhænger stærkt af bestemmelsen af ​​de forskellige vertikale synkehastigheder og relative positioner mellem Discus-2c DLR og det andet svævefly. Den målte synkehastighedsforskel lægges til den kendte synkehastighed taget fra Discus’ens polære kurve.

Den absolut præcise relative position mellem de to svævefly er nødvendig for at bestemme indflydelsen af ​​Discus’ ”flowfelt” på ydeevnen af ​​det andet svævefly. Begge værdier bestemmes ved hjælp af et såkaldt ”Moving base GNSS-system”, som er meget nøjagtigt og giver forskelle på synkehastighedsforskelle i indenfor nogle få cm/s (Rohde-Brandenburger, 2017).

Missioner

Den første eksperimentelle projekt for det nye forskningssvævefly var projektet iLoads. Det overordnede mål med dette projekt var at bestemme belastninger på et fly under flyvning ved at måle deformationen af ​​vinger, skrog og bagkrop. For at få data på dette er Discus udstyret med belastningssensorer (strain gauges) i forskellige dele af strukturen. Der er 6 i flykroppen, 36 i vingen og 3 i bagkroppen.

For at bestemme belastninger under flyvning ved at måle deformationen, skulle sensorsystemet først kalibreres. Dette blev udført ved at belaste vingerne og andre strukturer af Discus med forudbestemte vægte og måle signalerne fra de forskellige sensorer. Dette skulle gøres i flere orienteringer, vigtigst af alt oprejst og med flykroppen inverteret for at kalibrere for vingebøjning og torsionsbelastninger.

Inverteret kallibrering af belastnings-sensorer.

Med de kalibrerede sensorer blev der gennemført en plan for flight testing. I løbet af omkring 25 flyvetimer blev der udført en såkaldt ”systemidentifikation” ved at bruge en række kontrolinput under forskellige forhold, mens flyets reaktion blev registreret med hensyn til deformation, kurs og orientering. Resultatet af disse eksperimenter er en meget raffineret model af flyvemekanikken på Discus-2c DLR. Denne model kan bruges til at beregne forskellige manøvrer og som vil være nyttig i svæveflyets levetid (Viana, 2015).

Den seneste kampagne på Discus-2c DLR udover vores præstationsmålinger, som udføres hver sommer i samarbejde med Idaflieg, var projektet KonTeKst, hvor trykfordelingen omkring Discus-vingen var hovedinteressen. (Idaflieg er sammenslutningen af de tyske akademiske flyvegrupper og man har et årligt sommertræf, hvor man udfører testflyvninger og målinger. I praksis er det Idaflieg-studenterne som håndterer meget af det praktiske arbejde med Discus-testflyvninger og analyser, red.)

Vilde forskningssvævefly: Finaleglid fra rummet

I modsætning til bestemmelse af flyvebelastninger ved måling af deformation, kan kræfterne på vingen også beregnes ved at integrere den statiske trykfordeling ved flere profil-sektioner. Dette blev gjort ved at bruge bittesmå MEMS-tryksensorer, som var integreret i en tynd ”vingehandske” eller ”sok”. Denne handske er en 3D-printet opskaleret del af vingen, som er 3D-scannet på forhånd for at bestemme den nøjagtige form af vingen i denne position.

Vinge “Handske” med MEMS-sensorer

Vinge “Handske” med MEMS-sensorer – anden vinkel.

På grund af unøjagtigheder i fremstillingen kan vingeprofilen ikke helt matche den teoretiske vingeprofil, og denne måtte også skaleres op. 60 tryksensorer blev fordelt med 30 hver på vingens over- og underside. Resultaterne viste en meget god overensstemmelse med Xfoil-beregninger af den rigtige vinge, og selv den laminære turbulente overgang var tydeligt synlig. Efter yderligere miniaturisering af systemet vil det blive brugt i eksperimenter på vores seneste forskningsfly ISTAR, en modificeret Falcon 2000 (Raab, 2019).

Konklusion og fremtiden

Discus-2c DLR har allerede vist, at den kan bruges som et yderst fleksibelt og kapabelt forskningsfly. Dette skyldes hovedsageligt enkelheden i dens drift og systemer.

Et rigtig godt samarbejde med den tyske Trafikstyrelse, LBA, Luftfahrt Bundesamt som er den ansvarlige certificeringsmyndighed, hjælper selvfølgelig også.

Da Discus ikke har nogen væsentlige elektriske eller elektroniske systemer, der er nødvendige for en sikker flyvning, og den er af en meget robust konstruktion, der er typisk for de fleste svævefly, kan den bruges til en lang række eksperimenter med et minimum af indsats.

I fremtiden vil Discus fortsat spille hovedrollen i præstationsmålinger af svævefly, men vil også flyve flere nye eksperimenter.

Den næste i rækken er måling af atmosfærisk turbulens for at bestemme dens indvirkning på flyvepræstationer. Dette vil blive gjort ved at udskifte totalenergisonden på finnen til en fem-hullers sonde med tryksensorer direkte bag for at maksimere den mulige sample-rate ved at minimere modstand på grund af lange luftslanger. Derefter vil et nyt installation blive brugt til at demonstrere MEMS tryksensorers egnethed til denne applikation. Dette vil også gøre det muligt for Discus at være den nye flyvende vindtunnel, hvor vingenprofiler kan testes under flyvningen ved at bruge de førnævne ”vingehandsker”. For at fuldende det eksperimentelle autopilotsystem vil der senere også blive monteret en aktuator på sideroret. Dette vil gøre kontrolleret flyvning i alle tre akser mulig.

Discus er måske DLRs mindste og letteste forskningsfly, men er på ingen måde det mindst kapable.

Referencer

Raab, C. (2019). Load Measurements with the Discus-2c – Flight Test Planning and Data Gathering. Braunschweig: DLR Institut für Flugsystemtechnik.

Rohde-Brandenburger, K. (2017). Flight Performance Measurement of Gliders With GNSS System. Benalla, Australia: OSTIV.

Schempp-Hirth. (2005). Wartungshandbuch für Discus-2c DLR. Kirchheim.

Viana, M. V. (2015). Sensor Calibration for Calculation of Loads on the DLR Discus-2c Sailplane. Braunschweig: DLR Institut für Flugsystemtechnik