Parameterreduktion zur ähnlichkeitsmechanischen Gewichtsprognose im Flugzeugvorentwurf am Beispiel des Tragflügels

Abstract

Realistische Aussagen bei Vorentwürfen und Neuentwicklungen von Produkten über deren letztendliches Leistungsvermögen bereits in der Konzeptphase zu treffen, ist eine zentrale Aufgabe in vielen technischen Entwicklungsbereichen. Im Zeitalter der Globalisierung und dadurch oftmals entstehender Dezentralisierung der Entwicklungsstandorte eines Herstellerbetriebs ist es darum notwendig, das vorhandene Wissen auszutauschen und zu strukturieren, um so im Sinne eines erfolgreichen Wissensmanagements eine Methodik für die Vorgehensweise bei neuen Entwürfen zu entwickeln. Auch beim Flugzeughersteller Airbus befindet man sich in einer solchen Phase, in der das Wissensmanagement eine große Rolle spielt. Dabei ist es das Ziel, eine Wissensdatenbank aufzubauen, mit deren Hilfe dann eine Teilautomatisierung im Entwurfsprozess mittels Computerprogrammen (Tools) verwirklicht werden kann. Lag bei der bisherigen Vorgehensweise zur Ermittlung von Entwurfsparametern im Flugzeugvorentwurf das Schwergewicht auf dem statistischen Auswerten empirisch unterstellter Zusammenhänge aus bestehenden Daten, wird in der Vorentwurfsabteilung (Future Project Office) der Firma Airbus im Bereich der Gewichtsabschätzung des Tragflügels seit einiger Zeit ein analytisches Prognoseverfahren eingesetzt, das in ein computergestütztes Tool implementiert ist. Zur Nutzung dieses Tools werden jedoch Parameter benötigt, die in dieser frühen Entwicklungsphase zum Teil noch nicht zur Verfügung stehen. Im Rahmen dieser Arbeit wird, ausgehend von diesen zu ermittelnden Parametern, ein theoretischer Ansatz zur Kategorisierung des vorhandenen Wissens in drei Bereiche aufgezeigt. Dabei wird unterschieden zwischen dem wissensbasierten Schließen bei mathematisch geschlossen lösbaren Problemen, dem randbedingungsbasierten Schließen bei äußeren Vorgaben und dem fall- bzw. regelbasierten Schließen, bei dem es sich um ähnlichkeitsmechanische Ansätze handelt, deren Mechanismen die unbekannte exakte Lösungsfunktion approximieren. Das Hauptaugenmerk in dieser Abhandlung ist speziell auf den nutzbringenden Einsatz des fall- bzw. regelbasierten Schließens im Flugzeugvorentwurf gerichtet. Dabei wird diese Vorgehensweise an der geschlossen lösbaren Entwurfsgleichung der Startrollstrecke validiert, um sie dann auf das nicht geschlossen lösbare Problem der Startstrecke anzuwenden und mit dem bisherigen empirischen Ansatz von Raymer zu vergleichen. Danach wird in Bezug auf die hier speziell gestellte Aufgabe der Ansatz auf die Ermittlung der Größen der Sekundärstrukturflächen des Tragflügels erweitert.

Making realistic predictions on the performance of preliminary designs and new products already in the early design phase is a main goal in many areas of technical development. Globalisation and the ensuing decentralisation make it necessary for manufacturers to interchange and structure existing knowledge in order to develop a methodology for approaching new preliminary designs. The aircraft manufacturer Airbus is currently in the process of establishing a knowledge database which can be used to realise the automation of parts of the design process with the help of tools. Up to now, determination of parameters in aircraft preliminary design was mainly based on statistical analysis of empirical correlations of existing data. In contrast, Airbus' preliminary department (Future Project Office) has started to use a computer-based analytical tool to predict wing weight of aircrafts. However, at this early design stage not all the parameters needed for such a calculation are known. On the basis of these unknown parameters, the thesis presents a theoretical approach to classifying the available knowledge into three groups. The approach differentiates between knowledge-based reasoning for problems that can be solved by a mathematical equation, constraint-based reasoning for external inputs and case- or rule-based reasoning, which represent a similarity mechanical approach that will approximate the unknown accurate solving function. The thesis' focus is on the useful employment of case- or rule-based reasoning in preliminary aircraft design. The approach is validated by calculating the take-off ground roll, which can be solved by a mathematical equation. Furthermore, the procedure will be applied to determine take-off distance, which is rather difficult to establish. The result will be compared with Raymer's empirical approach. Subsequently, case- or rule-based reasoning will be extended to determine the areas of the secondary structural elements of an aircraft wing, which, for the task at hand, is a special requirement for the analytical calculation of the wing weight.