Ein Unternehmen für technische Services in der Luft- und Raumfahrt nutzt Simcenter STAR-CCM+, um die Kosten für die Flugzeug-Zertifizierung zu senken

Nachweislich günstiger

„Unser Ziel war es, das langweiligste Flugtestprogramm zu haben, das es je gegeben hat“, beschreibt Wayne Tygert, Chefingenieur bei Boeing, eines der 787-10 Dreamliner-Testflugprogramme, die für die Zertifizierung verwendet wurden.

Langweilig ist normalerweise nicht das erste Wort, das einem in den Sinn kommt, wenn man etwas beschreibt, das 900 Stunden mit drei Testflugzeugen, Tausenden von Vorschriften, mehr als 4.000 Dokumenten und Millionen von Dollar in Anspruch genommen hat. Was ist nun die 787-10? Eine einfache Erweiterung im Mittelteil der bereits zertifizierten 787-9 für 40 weitere Passagiere. Der ursprüngliche 787 Dreamliner brauchte acht Jahre von der Anwendung bis zur Zertifizierung für das neue Design und absolvierte in der Testphase 4.645 Flugstunden. Experten der Federal Aviation Administration (FAA) haben dafür mehr als 200.000 Stunden aufgewendet und die Zertifizierungskosten waren außerordentlich hoch.

Die Zertifizierung eines Flugzeugs, ob neu oder modifiziert, ist ein langwieriger, teurer und bürokratischer Prozess, der jedoch zum sichersten Transportmittel geführt hat. Vom größten Flugzeug der Geschichte bis hin zu kleinen Zweisitzern aus Stahl und Stoff muss jedes Flugzeug vor dem Betrieb Lufttüchtigkeit und Konformität nachweisen und von den Aufsichtsbehörden zertifiziert werden.

Enorm hohe Zertifizierungskosten

Die Zertifizierungskosten werden auf 1 Million US-Dollar für ein Flugzeug der Hauptkategorie (drei Sitze oder weniger), 25 Millionen US-Dollar für ein Flugzeug der allgemeinen Luftfahrt und mehr als 100 Millionen US-Dollar für ein Verkehrsflugzeug geschätzt. Die Kosten für die Zertifizierung und die Verzögerungen können sich auf Millionen von Dollar belaufen und manchmal so viel Geld verschlingen, wie die Entwicklung des Flugzeugs kostet. Dieser Prozess kann oft über Gewinn oder Verlust entscheiden.

Programmverzögerungen, verpasste Liefertermine, Kostenüberschreitungen und Sicherheitsprobleme aufgrund von Konstruktionen, die die Zertifizierungsanforderungen nicht erfüllen und teure Neukonstruktionen und Flugtests erfordern, kommen häufig vor. Wie können Unternehmen Zertifizierungskosten und -zeit reduzieren? Können Sie teure Tests reduzieren und gleichzeitig die Lufttüchtigkeit nachweisen?

Mit insgesamt 45 Jahren Erfahrung in der Konstruktion, Entwicklung und Zertifizierung von Flugzeugen sind Robert Lind und Andrew McComas von TLG Aerospace diese Herausforderungen nicht fremd. Das bescheidene Büro befindet sich auf einer Etage eines unscheinbaren, sechsstöckigen Gebäudes am Lake Union in Seattle und täuscht über die Erfahrung und das Fachwissen hinweg, die eine Kundenliste mit sich bringt, die sich wie das Who`s Who der modernen Luftfahrt liest. TLG Aerospace hat zahlreichen Kunden geholfen, kostengünstig und in kurzer Zeit die FAA-Zertifizierung in den USA zu erhalten, was sie mit erstaunlicher Effizienz erreicht haben.

Zertifizierung durch Analyse

Die FAA-Flugzeugzertifizierung umfasst drei Stufen: Konstruktionszertifizierung, Produktionszertifizierung (PC) und Lufttüchtigkeitszertifizierung (AC). Die Phase der Konstruktionszertifizierung umfasst die Genehmigung der Konstruktionssicherheit, Funktionsfähigkeit und Langlebigkeit, mit der Musterzulassung (TC) für neue Konstruktionen und ergänzender Musterzulassung (STC) für geänderte Konstruktionen. Die PC-Stufe erteilt die Genehmigung zur Herstellung von Teilen, Komponenten und Systemen, während die AC-Stufe die Genehmigung zum Betrieb des Flugzeugs erteilt.

Ähnlich verhält es sich bei anderen weltweiten Regulierungsbehörden. Die FAA verlangt eine Zertifizierung durch Prüfung oder durch Analyse, die durch Test validiert wird. In der Branche wird es als Zertifizierung durch Analyse (CBA) bezeichnet. Diese Analysen werden anhand eines vollständigen Flugzeugmodells durchgeführt, das durch einen Flugtest über einen bestimmten Bereich der Flugenveloppe validiert wird, der von der Zertifizierungsstelle im Voraus festgelegt wird. Das vollständige Flugzeugmodell umfasst:

• Aerodynamik: Eine Kombination aus numerischer Strömungsmechanik (CFD), Methoden niedriger Ordnung, Windkanal- und Handbuchanalyse, validiert durch Druck- und Dehnungsmessungen im Flugversuch
• Strukturen: Finite-Elemente-Analyse (FEA) und Berechnungen nach dem Handbuch, validiert durch Bodenschwingungsprüfung (GVT) und statische Belastung im Bodenversuch
• Masseeigenschaften: Computergestützte Konstruktion (CAD) und Gewichtsbuchhaltung durch Wiegen validiert
• Elemente der Flugsteuerung: Validierung der Gesetze der Flugsteuerung durch integrierte Simulation und Flugerprobung

Das integrierte Gesamtflugzeugmodell wird schließlich durch den Flugtest validiert und muss nachweisen, dass es genau oder konservativ ist. Die Zertifizierungsstellen stellen sicher, dass die Analyse ein sicheres Ergebnis liefert. Der Erstausrüster ist in der Regel darauf bedacht, den Konservatismus einzuschränken, um Übergewicht und Performanceeinbußen zu vermeiden.

Der Zertifizierungsansatz von TLG Aerospace mit CFD

„Was sich geändert hat, ist das Gleichgewicht zwischen der Anzahl an Analysen, die man durchführen kann, und denjenigen, die man im Zertifizierungsprozess verwenden kann“, berichtet Lind, Director of Engineering, FAA Flight Analyst Designated Engineering Representative (DER), FAA Flutter DER, TLG Aerospace. „Das ist eine wirklich spannende Entwicklung in meinen 30 Jahren in der Branche. Da CFD-Codes und Computer immer leistungsfähiger geworden sind, können wir schneller und kostengünstiger zertifizieren.“

Der größte Teil der Arbeit von Lind besteht darin, Kunden mit Analysen zur Typzertifizierung zu bringen. Als einer der vier ansässigen DER von TLG Aerospace kann er für bestimmte Zertifizierungsfunktionen im Namen der FAA unterschreiben. TLG Aerospace nutzt die Software Simcenter STAR-CCM+™ von Siemens Digital Industries Software für die CFD-Analyse und die Software MSC Nastran® für FEA, um Zertifizierungsmodelle für Lasten, Flattern und Flugeigenschaften für Gesamtflugzeuge zu entwickeln, die für den gesamten Flugbereich modelliert sind.

Andrew McComas, Engineering Manager und Aerodynamiker bei TLG Aerospace, merkt hierzu an: „Wir verwenden Simcenter STAR-CCM+ in einer Zertifizierungsumgebung, die sich von der Konstruktion unterscheidet. CFD spielt eine große Rolle im Zertifizierungsprozess. Wir verwenden CFD nicht, um eine Antwort zu erhalten, die von der FAA abgesegnet wird. Wir verwenden CFD, um ein maßstabsgetreues Aero-/Struktur-/Steuerungsmodell zu erstellen, damit wir die Reaktion des Flugzeugs simulieren und Lade- und Handhabungsinformationen erstellen können.“

Um ein neues Flugzeug zu zertifizieren, ist eine Aerodynamik-Datenbank erforderlich. Um die gesamte Analysedatenbank zu erstellen, müssten Daten für Hunderttausende von Bedingungen in kurzer Zeit verfügbar sein. Die aerodynamischen Eigenschaften des Flugzeugs werden mithilfe der numerischen Strömungsmechanik sowohl bei der Konstruktion als auch bei extremen Flugzuständen berechnet. Die CFD-Ergebnisse werden innerhalb des aeroelastischen Prozesses auf ein aerodynamisches Modell reduzierter Ordnung abgebildet. TLG Aerospace kalibriert das aeroelastische Modell, um aeroelastische Lösungen für das gesamte Flugzeug zu entwickeln, die durch die starre CFD untermauert werden. Das endgültige aeroelastische Modell wird die integrierte und verteilte Aerodynamik des gesamten Flugzeugs im starren Modus reproduzieren und in Sekundenschnelle eine konvergente aeroelastische Lösung liefern.

Die Vorhersagen sind jetzt vorhanden, um zu zeigen, dass die Vorschriften unter bestimmten Bedingungen eingehalten werden. In der Flugerprobung werden die Analysemodelle dann validiert. Diese Validierung kann auf etwas weniger als den gesamten Flugbereich beschränkt werden, um das Risiko für Tests während des Fluges zu verringern. Nach der Validierung kann es verwendet werden, um die Einhaltung anderer Flugbedingungen nachzuweisen. Ein originalgetreues Modell vor dem Flug reduziert den Aufwand für die Anpassung und Kalibrierung des Modells nach dem Flug erheblich.

Senkung der Zertifizierungskosten mit Simcenter STAR-CCM+

McComas schreibt Simcenter STAR-CCM+ und Amazon Web Services (AWS) den Durchbruch bei der Reduzierung der Zertifizierungskosten zu.

„Simcenter STAR-CCM+ läuft zuverlässig, genau und beständig mit einfachen Prozessen und Best Practices“, sagt McComas. „Das hat den Unternehmen das Vertrauen gegeben, dass der Code als Quelle für die Generierung von Aero-Datenbanken verwendet werden kann. Elastisches Computing von AWS mit Siemens Power-on-Demand-Lizenzierung unterstützt Sie auf sichere Art und Weise bei der simultanen Ausführung mehrerer Simulationen auf mehreren Computerclustern in der Cloud. Ohne das POD-Lizenzierungsmodell würden wir die Möglichkeiten des elastischen Computings nicht voll ausschöpfen können und uns die umfangreichen Kosten jährlicher Lizenzen aufladen.

Kurz gesagt, die gesamte Aero-Datenbank wird in kürzerer Zeit mit kostengünstiger Lizenzierung erstellt. Der zusätzliche Vorteil? Reduzierung von Windkanaltests.

CFD oder Windkanal? Mit der Erfahrung aus über 100 Windkanal-Testkampagnen bei niedrigen und hohen Geschwindigkeiten verfügt TLG Aerospace über einen bedeutenden experimentellen Hintergrund in der Erprobung. Sind Windkanaltests also in Ungnade gefallen? Ganz und gar nicht.

Im allgemeinen Sprachgebrauch ist der Windkanal immer noch König – aber ein König, der nun zunehmend einen fairen Anteil der königlichen Pflichten an den vertrauenswürdigen Beirat von CFD delegiert. Windkanaltests werden immer noch für die Entwicklung von Aero-Datenbanken für neue Flugzeugkonfigurationen verwendet. CFD ergänzt jedoch die Tests bei einigen Bedingungen und ersetzt sie bei anderen, was zu enormen Einsparungen führt. Abbildung 4 ist ein fiktiver Vergleich zwischen veralteten CFD-Codes und Simcenter STAR-CCM+ im Vergleich zu Windkanaltests, wie sie von TLG Aerospace durchgeführt wurden. Für eine minimale Investition kann Simcenter STAR-CCM+ einige Testanforderungen reduzieren und ersetzen. In Anbetracht der Nutzungsrate und der Modellkosten für Windkanaltests kann dies zu erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen führen.

Windkanaltests eignen sich nach wie vor am besten für beginnende Trennungsregime, wie z. B. die Analyse des hohen Anstellwinkels und der Handhabung von Schiebewinkeln. CFD eignet sich am besten für moderate Anstellwinkel und detaillierte Strömungsfelduntersuchungen.

„Große Datenbanken können heute in Simcenter STAR-CCM+ zu einem Bruchteil der Kosten und des Zeitplans von Legacy-Methoden und Windkanaltests betrieben werden“, sagt McComas. „Das war noch vor einem Jahrzehnt nicht möglich.“

Mit Elastic Computing und Cloud-Lizenzierung gibt es keine technischen Einschränkungen für die gleichzeitige Ausführung einer großen Anzahl von CFD-Fällen. TLG Aerospace ist auch in der Lage, regelmäßig große, vollständig detaillierte Simulationen durchzuführen, wobei die meisten Modelle unabhängig von ihrer Größe in weniger als einer Stunde laufen, was bisher nicht möglich war.

Durch den Einsatz von Elastic Computing mit AWS spart TLG Aerospace 75 Prozent der Gesamtkosten pro CFD-Simulation. Die Technologie dahinter sind die Amazon EC2 Spot Instances, ein Amazon-Angebot, um ungenutzte Rechenkapazität in der AWS-Cloud mit hohen Rabatten zu nutzen.

CFD ist keine Eintagsfliege in der Zertifizierung

Änderungen und Ergänzungen bestehender Flugzeuge mit Musterzulassungen wirken sich auf die Vorschriften aus. Ältere Flugzeugzellen mit neuen Modifikationen an die Grenzen des Flugbereichs zu bringen, ist gefährlich, teuer und zeitaufwendig. Die FAA erlaubt CFD als Mittel, um nachzuweisen, dass sich die Konformität des ursprünglichen Flugzeugs aufgrund von Modifikationen nicht geändert hat. Unternehmen wie TLG Aerospace haben sich dies voll und ganz zu eigen gemacht und nutzen CFD, um unterstützende Daten und Argumente zu generieren und so die Konformität nachzuweisen.

„In der Vergangenheit mussten die Ingenieure ohne Rückfrage auf vorgenommene Änderungen testen. Jetzt liefert CFD die Daten, um einige Testanforderungen zu eliminieren“, sagt McComas.

Zu den weiteren CFD-Anwendungen in der Zertifizierung gehören die Druckbelastung von Sekundärstrukturen, Verkleidungen, Antennen und Radomen, Eisansammlung, die Lokalisierung von Luftdatensystemen, interne Strömungen, Winglets und vieles mehr.

Hier ist ein Szenario: Stellen Sie sich vor, ein neues Radom wird am Flugzeug befestigt. Um den Vorschriften zu genügen, muss der Hersteller nun nachweisen, dass sich die Struktur, wenn sie sich vom Flugzeug löst, sicher und ohne Aufprall trennen lässt. Viel Glück beim Abbrechen eines Radoms im Flugversuch! Eine ähnliche Herausforderung besteht darin, nachzuweisen, dass die Vereisung der neuen Struktur die Konformität und Betriebssicherheit nicht beeinträchtigt.

„Die einzige praktikable Option besteht darin, anhand einer validierten Analyse nachzuweisen, dass die Struktur die Kriterien für eine sichere Trennung erfüllt“, sagt McComas. „Für TLG Aerospace verfügt Simcenter STAR-CCM+ über alle integrierten Tools, um diese Berechnungen ohne andere Software von Drittanbietern durchzuführen.“

Darüber hinaus wird auch der Ansturm neuer, innovativer Fluggeräte wie Drohnen und Lufttaxis, Militärflugzeuge, neu gebaute Überschallflugzeuge und andere von der Zertifizierung durch Analyse profitieren.

Das „C“ in CFD steht für „Certification“ (Zertifizierung)

„Simcenter STAR-CCM+ hat dazu beigetragen, dass wir zahlreiche von der FAA zugelassene Zertifikate erhalten haben“, sagt McComas. „Es spielt in jedem einzelnen Zertifizierungsprogramm von TLG Aerospace eine Rolle.“

Es ist unwahrscheinlich, dass die numerische Strömungsmechanik jemals Windkanalversuche vollständig ersetzen wird, da sich Computer, Programmierung und Lizenzierung ständig weiterentwickeln. Dennoch wird die Bedeutung von CFD bei der Zertifizierung im Laufe der Zeit nur noch zunehmen, um die Flugerprobung zu ergänzen und zu vervollständigen.

Unternehmen wie TLG Aerospace haben in der numerischen Strömungsmechanik ein zuverlässiges Arbeitspferd für die Zertifizierung gefunden, das die schwere Arbeit des Nachweises der Konformität in den extremen Flugbereichen übernimmt, die Anzahl der Flugtestbedingungen reduziert, Tests mit geringeren Belastungen ermöglicht und potenzielle Gefahren bei den Tests vorhersagen kann. Flexible Lizenzierung und Elastic Computing untermauern die Argumente für eine Zertifizierung durch Analyse.

„Wir können jetzt für Projekte mit größerem Umfang bieten, wettbewerbsfähiger arbeiten, Einsparungen an unsere Kunden weitergeben und viel mehr mit unserem Geld machen“, sagt McComas.