Die Antriebssysteme von Hochauftriebssystemen moderner Verkehrsflugzeuge haben einen hohen Reifegrad erreicht. Eine zentrale Antriebseinheit stellt die Leistung zur Klappenbetätigung bereit, die von einer Wellentransmission in eine synchrone Stellbewegung der Führungsgetriebe umgewandelt wird. Flugsteuerungsrechner dienen der Ansteuerung von Motoren und Bremsen sowie der Auswertung von Positionssensoren zur Systemüberwachung. Dieser prinzipielle Aufbau der Antriebssysteme hat sich seit Jahrzehnten bewährt und erfährt auch bei Neuentwicklungen meist nur geringfügige Veränderungen. Die Optimierung des Entwicklungsprozesses tritt gegenüber neuen Produktlösungen daher immer stärker in den Vordergrund, um zukünftig die Wirtschaftlichkeit weiter zu steigern.
Vor allem in der Konzept- und Definitionsphase sind weitreichende Entscheidungen zu treffen. Eine besondere Schwierigkeit stellen dabei die zahlreichen Wechselwirkungen dar, die zwischen Ent-wurfsparametern des Gesamtsystems, zu deren Bestimmung zahlreiche Betriebszustände und Fehlerszenarien zu berücksichtigen sind, und Kenngrößen der mechanischen Komponenten bestehen, deren Dimensionierung ein Ziel der Systemauslegung ist. Diese gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen Systemverhalten und Komponenteneigenschaften führen schnell zu einer Komplexität, die es oft selbst Experten unmöglich macht, sämtliche Wechselwirkungen und Randbedingungen bei der Lösungssuche zu berücksichtigen und zielstrebig ein Optimum zu finden. Häufige Änderungen aufgrund neuer Erkenntnisse sind ein typisches Merkmal der Vorentwurfsphase und führen zu einem zeitaufwendigen, iterativen Vorgehen.
Die derzeitige Rechnerunterstützung des Vorentwurfsprozesses beschränkt sich auf einfache Rechenprogramme. Sowohl das sequentielle Ausführen von Berechnungen als auch die Datenpflege und eine Konsistenzprüfung erfolgen manuell durch die beteiligten Systemingenieure. Der Einfluss von Unsicherheiten, aber auch von Design-Freiräumen, auf den Lösungsraum kann durch wenige Parameterstudien nur unzureichend erfasst werden. Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz behebt diese Nachteile durch ein neues Entwurfswerkzeug, das den Datenfluss und die mathematische Beschreibung des Dimensionierungsproblems entscheidend verbessert. Komponenten- und Systemparameter können in einer zentralen Datenbank gepflegt und für den Auslegungsvorgang genutzt werden. Generische Komponentenmodelle, beschrieben durch einen Parametersatz und mathematische Auslegungs-abhängigkeiten, lassen sich in einer Bibliothek verwalten, über eine grafische Oberfläche initialisieren und dort zu einer Antriebsarchitektur verbinden. Bauteilübergreifende Zusammenhänge ergänzen die mathematische Problembeschreibung. Diese rückt verstärkt in den Fokus der Anwender, da numerische Verfahren nun den Lösungsprozess automatisieren können. Zur Problemlösung wurde ein zweistufiges Vorgehen umgesetzt. Konsistenzverfahren aus dem Bereich der Constraint-Verarbeitung erlauben das Rechnen mit Intervallen, so dass Unsicherheiten und Design-Freiräume explizit berücksichtigt werden können. Das Propagieren von Wertebereichsänderungen ermöglicht einen automatischen Konsistenztest sowie eine Suchraumkontraktion. Anschließend kann mit Hilfe Evolutionärer Algorithmen eine Parameteroptimierung durchgeführt werden. Diese Trennung zwischen Problembeschreibung und unabhängigen Lösungsverfahren ist ein charakteristisches Merkmal wissensbasierter Systeme und ermöglicht gegenüber konventionellen Software-Programmen eine höhere Flexibilität und Transparenz.
Die umfassende Rechnerunterstützung durch das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Entwurfs-werkzeug WissBaSys reicht bis zu einer automatischen Erstellung eines komplexen Simulationsmodells zur detaillierten Systemanalyse, die somit früher als bisher durchgeführt werden kann. Die Methoden werden an der Nachprojektierung und anschließenden Optimierung des Flap-Antriebssystems eines Airbus A340 demonstriert. Der hohe Automatisierungsgrad erlaubt eine erhebliche Reduktion der Entwicklungszeit. Darüber hinaus können in der Vorentwurfsphase mehrere Konzepte eingehender untersucht werden, als dies mit der konventionellen Rechnerunterstützung möglich ist. In den Fallbeispielen zeigt sich zudem die Überlegenheit von Optimierungsalgorithmen gegenüber manuellen Parameterstudien. Mit Hilfe der Optimierungsrechnungen konnte signifikantes Potenzial für Gewichtsreduktionen aufgezeigt werden.

Schlagwörter: Maschinenbau; Flugzeug-Systemtechnik; Hochauftriebssysteme; Antriebssysteme; Wissensbasierte Systeme; Landeklappen; Constraint Satisfaction Problem

Schriftenreihe Flugzeug-Systemtechnik