Forschung neues Fliegel - HAW Hamburg · Die Entscheidung, den Airbus A380 in Hamburg mit der...

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Forschung Neues Fliegen

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Forschung Neues Fliegen

Luftfahrtcluster Hamburg AviationDie Metropolregion Hamburg gehört weltweit zu den drei größten Standorten der zivilen Luftfahrt- industrie. Mehr als 40 000 hochqualifizierte Fachkräfte decken mit ihren Kompetenzen den gesam-ten Lebenszyklus eines Flugzeugs ab: von der Entwicklung, Herstellung und Montage über den Betrieb des Lufttransportsystems bis zu Wartung, Reparatur und Recycling. Unternehmen, Hoch-schulen, Verbände, die Wirtschaftsbehörde und weitere Partner haben sich zum Cluster Hamburg Aviation zusammengeschlossen. Gemeinsam verfolgen sie das Ziel, mit vernetzter Forschung und Entwicklung hochwertige Produkte und Dienstleistungen für die Luftfahrt der Zukunft auf den Markt zu bringen. Das setzt die Verfügbarkeit von hervorragend ausgebildeten Fachkräften voraus. Indus-trie, Hochschulen und Schulen vernetzen sich im Hamburg Centre of Aviation Training und sichern gemeinsam die bedarfsgerechte Qualifizierung von Fachkräften.

Ingenieurnachwuchs für den LuftfahrtstandortDie Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg ist mit etwa 15 000 Studierenden die drittgrößte Fachhochschule in Deutschland. Besonders hervorzuheben sind in diesem Zusammen-hang die Flugzeugbaustudiengänge des Departments Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau mit mehr als 400 Studierenden im siebensemestrigen Bachelor-Studiengang und mehr als 100 Studierenden im dreisemestrigen Master-Studiengang. Seit über 75 Jahren werden hier Flugzeugbauingenieure für den Luftfahrtstandort Hamburg ausgebildet. Im Studienjahr 2012 haben über 100 Studierende ihr Studium erfolgreich abgeschlossen und starten ins Berufsleben – getreu dem Motto „Wissen fürs Leben“, das Studium und Lehre an der HAW Hamburg kennzeichnet.

Zunahme der Forschungsleistung seit Einführung des Master-StudiumsSeit der Einführung der Master-Studiengänge hat die Forschungsleistung der HAW Hamburg im Flug-zeugbau deutlich zugenommen, da die Master-Studierenden in besonderem Maße wissenschaftlich und forschungsorientiert arbeiten. Mit dem neuen Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung werden sich die Möglichkeiten für Forschungsprojekte weiter verbessern. Die eingeworbenen Dritt-mittel dienen im Wesentlichen der Beschäftigung von wissenschaftlichen Mitarbeitern, die mit ihrer Forschungstätigkeit die Möglichkeit zur Promotion mit einer kooperierenden Universität erhalten. Zusätzlich ermöglichen die Drittmittel, die Laborausstattung zu verbessern. Ein prominentes Beispiel hierfür ist der Aufbau des Labors für Kabine und Kabinensysteme, der aus der Spitzenclusterförde-rung finanziert wird.

Die vorliegende Broschüre vermittelt sowohl einen eindrucksvollen Überblick der gegenwärtig bear-beiteten Forschungs- und Entwicklungsprojekte und der Themen zukünftiger Projekte als auch der Labore, die eine elementare Voraussetzung für die Durchführung zahlreicher dieser Projekte sind.

Ich wünsche allen Beteiligten viel Erfolg bei der Realisierung ihrer anspruchsvollen Vorhaben.

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Prof. Dr. Monika Bessenrodt-WeberpalsVizepräsidentin der HAW Hamburg und Mitglied des

Vorstands des Clusters Hamburg Aviation

Geleitwort

www.haw-hamburg.de/ccnf

Competence Center Neues FliegenEs herrsche Fachkräftemangel, so die einhellige Botschaft aus der Wirtschaft. Umso wichtiger ist es, dass genügend Absolventinnen und Absolventen die Hochschulen verlassen. Gerade aus den Flugzeugbaustudiengängen der HAW Hamburg gehen exzellent ausgebildete Ingenieure hervor, die in der Wirtschaft sehr begehrt sind – und das bereits seit mehr als 75 Jahren. Nur durch gut ausge-bildete Fachkräfte wird die Innovationsfähigkeit der Luftfahrtunternehmen Hamburgs gesichert und gestärkt. Um auch in Zukunft dieser Aufgabe gerecht werden zu können und im Bereich Flugzeug-bau in der ersten Liga weiterzuspielen, wurde an der HAW Hamburg im Jahr 2008 das Competence Center Neues Fliegen (CCNF) gegründet. Im CCNF werden die Luftfahrtkompetenzen der Hochschu-le gebündelt, um die klügsten Köpfe nach Hamburg zu holen und sie für einen anspruchsvollen Beruf in der norddeutschen Luftfahrtindustrie auszubilden.

Ingenieurstudium an der HAW HamburgIm Luftfahrtcluster Hamburg Aviation nimmt die HAW Hamburg eine herausragende Rolle in der Fachkräftequalifizierung ein. Von Beginn an richteten sich die Studienschwerpunkte an den Be-darfen der Hamburger Luftfahrtindustrie aus. Zunächst war das der klassische Flugzeugbau mit den Themen Flugzeugentwurf und Leichtbautechnologie. Die Entscheidung, den Airbus A380 in Hamburg mit der Flugzeugkabine auszustatten, führte zu einem Bedarf an speziell ausgebildeten Ingenieuren, sodass die HAW Hamburg im Jahr 2005 den einzigartigen Studienschwerpunkt Kabine und Kabinensysteme einrichtete. Eine weitere große Bedeutung für den Luftfahrtcluster haben ne-ben den klassischen Ingenieurstudiengängen wie Maschinenbau und Elektrotechnik auch die Studi-engänge Produktionsmanagement, Informatik, Medientechnik, Verfahrenstechnik, Umwelttechnik, Außenwirtschaft, Logistik und Marketing.

Mit dem Studienabschluss beginnt die WeiterbildungAuch nach dem Studium müssen berufstätige Ingenieure weiterlernen, sich neue Technologien und Methoden aneignen. Lebenslanges Lernen ist die Devise. Die flexible Studienorganisation ermög-licht es berufstätigen Ingenieuren, den Flugzeugbau-Master an der HAW Hamburg auch berufsbe-gleitend zu studieren. Im Wintersemester 2012/2013 haben die ersten Airbus-Ingenieure ihr Master-Studium aufgenommen. Weitere Unternehmen haben bereits Interesse angemeldet.

Wissenschaftliche Ausbildung durch ForschungDie Forschung ist neben Lehre und Weiterbildung die dritte Säule der HAW Hamburg. Forschung stärkt die Innovationskraft der Metropolregion, sie dient gleichzeitig aber auch der wissenschaft-lichen Ausbildung der Studierenden. Mit ihren Studienarbeiten und Abschlussarbeiten werden sie direkt an Forschungsprojekten beteiligt. Nach ihrem Studium können sie als wissenschaftliche Mitar-beiter ihre Forschungstätigkeit an der Hochschule fortsetzen. Die vorliegende Forschungsbroschüre ist ein Beleg für die Forschungsleistung der HAW Hamburg und sie stellt die hohe Qualität der Inge-nieurausbildung an der HAW Hamburg unter Beweis.

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Prof. Dr.-Ing. Hartmut Zingel Leiter des Competence Center Neues Fliegen der HAW Hamburg

und Mitglied des Beirats des Hamburg Centre of Aviation Training

Vorwort

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CCNF: Forschung 6

Beulverhalten dünnwandiger Laminatstrukturen 8

PEREC – Personenzentrierte rekonfigurierbare Kabine 10

Systemvalidierung und -verifizierung mithilfe von Softwareagenten 12

Ökoeffiziente und multifunktionale Ausstattungselemente für Flugzeugkabinen 14

Reduktion der Schallübertragung bei Antrieben mit gegenläufigen Propellern 16

Neuartige Lichtgestaltung in der Flugzeugkabine 18

Leichtbau-Labor: Werkstoffe und effektiver Leichtbau 20

Vibroakustische Simulation für den Kabinenkomfort 22

NAWIFLUG – Nachhaltiges Wissensmanagement im Flugzeugbau 24

Aktive Systeme zur Schall- und Schwingungsregelung 26

KKS – Labor für Kabine und Kabinensysteme 28

PROTEG & DIANA 30

Simulation von Faserverbundwerkstoffen 32

BWB – Das studentische Projekt AC20.30 34

Aerodynamik-Labor 36

AeroStruct – Analyse und Optimierung von Luftfahrtstrukturen 38

SIMKAB – Funktionsreduziertes Kabinenmanagement 40

Förderer 42

Inhalt

Lehre und ForschungSeit mehr als 75 Jahren leistet die HAW Hamburg mit der Ausbildung exzellenter Ingenieure des Flugzeugbaus ihren Beitrag zur Erfolgsgeschichte des sich dynamisch entwickelnden Luftfahrtstand-orts Metropolregion Hamburg.

Dabei ist besonders wichtig, den angehenden Ingenieurinnen und Ingenieuren aktuelle wissen-schaftliche Erkenntnisse und Methoden ebenso zu vermitteln wie die Fähigkeit zu ihrer praxisbe-zogenen Anwendung. Darüber hinaus sollen die Studierenden bereits im Bachelor-Studium, sehr viel intensiver aber noch im daran anschließenden Master-Studium, zu wissenschaftlichem und forschungsorientiertem Arbeiten angeleitet werden, indem sie ihre Projekt- und Abschlussarbeiten in Forschungseinrichtungen und in der Industrie sowie in Forschungsprojekten an der Hochschule durchführen. Besonders talentierte Absolventinnen und Absolventen können als wissenschaftliche Mitarbeiter/-innen in Forschungsprojekten an der HAW weiterarbeiten und anschließend von einer kooperierenden Universität promoviert werden. Die Rahmenbedingungen hierfür haben sich ausge-sprochen positiv entwickelt.

AusstattungDie für die praktische Ausbildung eminent wichtige Laborsituation hat sich in den letzten Jahren si-gnifikant verbessert. So wurde 2006 der Windkanal im Aerodynamik-Labor umgebaut und moderni-siert, 2007 schenkte Airbus der HAW zwei Flugzeugsystemsimulatoren, 2012 wurde das Leichtbau-Labor mit einem neuen Fallturm erweitert. Ein weiterer Meilenstein war 2011 die Eröffnung des Labors für Kabine und Kabinensysteme, in dem Lehre und Forschung an Mock-ups, Monumenten und Systemen der Flugzeugkabine auf einer Fläche von ca. 1200 m² durchgeführt werden. Dieses Labor ist im Hamburg Centre of Aviation Training (HCAT) untergebracht, das zudem eine europa-weit bisher einzigartige Lernkooperation zwischen Industrie, Hochschule und Gewerbeschule bietet. Ferner wird ein neues Akustik-Labor entstehen, das Hamburg als Kompetenzzentrum für Akustik deutlich stärken wird.

Organisation der HAW im Luftfahrtcluster der Metropolregion Hamburg Die HAW Hamburg ist im Bereich Luftfahrt gut vernetzt. Die Professoren und Mitarbeiter verfügen aufgrund einschlägiger praktischer Berufserfahrungen über beste Kontakte in die Industrie. 2008 wurde das Luftfahrtcluster der Metropolregion Hamburg durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung als Spitzencluster ausgezeichnet. 2009 erfolgte die Gründung des Zentrums für An-gewandte Luftfahrtforschung (ZAL). Zu den Gesellschaftern zählt neben der Freien und Hansestadt Hamburg, der Airbus Operations GmbH und der Lufthansa Technik AG unter anderem auch die HAW Hamburg. Der Fokus des ZAL liegt auf der Integration und Industrialisierung von Luftfahrttechno-logien. Hierfür stellt es Forschungs- und Testinfrastruktur zur Verfügung und vernetzt Industrie und Wissenschaft.

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Prof. Dr.-Ing. Thomas Netzel Leiter Forschung des Competence Center

Neues Fliegen der HAW Hamburg

Um die HAW Hamburg nach innen und außen mit der erworbenen Luftfahrtkompetenz zu vertreten und diese auszubauen, wurde 2008 das Competence Center Neues Fliegen (CCNF) gegründet, in dem auch die Forschungskompetenz Neues Fliegen gebündelt ist.

ForschungsprojekteInnerhalb der letzten Jahre hat sich das Forschungsaufkommen der HAW Hamburg im Bereich Neu-es Fliegen aufgrund des persönlichen Engagements forschender Professoren erheblich gesteigert. Alle Projekte verbindet dabei die eine Vision: Die Luftfahrt soll ökonomischer, ökologischer, komfor-tabler, flexibler und zuverlässiger werden.

Dies geht über Forschungsprojekte des Departments Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau hinaus und verbindet Forschende der gesamten Hochschule. So wird die oft in der Praxis gewünschte, aber selten verwirklichte Interdisziplinarität mit dem gemeinsamen Ziel möglich, neben der erfolgreichen Umsetzung des jeweiligen Projekts den akademischen Nachwuchs zu fördern. Ein gutes Beispiel da-für ist die Forschungsgruppe Aircraft Design and Systems Group AERO, bei der Nachwuchsforscher verschiedener Forschungsprojekte inhaltlich und räumlich eng zusammenarbeiten. Mit der Schaf-fung einer eigenen Identität, dem regen fachlichen Austausch, gemeinsamen Reisen zu Kongressen, dem Daumendrücken bei Vorträgen auf internationalen Veranstaltungen und einem inspirierenden Betriebsklima sind die Voraussetzungen für erfolgreiches Forschen gegeben.

Im Bereich Neues Fliegen beteiligt sich die HAW Hamburg bereits erfolgreich an mehreren For-schungsprojekten des Spitzenclusterwettbewerbs und ist bei anderen öffentlich geförderten For-schungslinien gut vertreten. Gleichzeitig verstärkt sich der Anteil der industriellen Auftragsforschung, nicht zuletzt weil anwendungsnahe interdisziplinäre Forschungsprojekte unter enger Einbindung des akademischen Nachwuchses von der Idee bis zum Produkt umgesetzt werden können. Die Wahr-nehmung dieser Kompetenz wird die Rolle der Forschung im Bereich Neues Fliegen an der HAW Hamburg maßgeblich beeinflussen, wobei die Unterstützung durch Förderer eine bedeutende Rolle spielt. Dies wird auch an den nachfolgend vorgestellten Projekten deutlich.

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CCNF: Forschung

In vielen Bereichen des Leichtbaus werden in immer größerem Umfang Strukturen aus Faserverbund-werkstoffen eingesetzt. Um das mechanische Mo-dell der realen Struktur aus diesen Werkstoffen, z. B.

eines Schiffs- oder Flugzeugrumpfs, zu bilden, wird die Gesamtstruktur häufig in Unterstrukturen aufgegliedert, die dann mittels Stäben, Balken, Platten oder Schalen idealisiert werden können. Über die Jahrzehnte wurden unterschiedliche Berechnungsmethoden, darunter globa-le Ansätze sowie die Finite-Streifen-Methode (FSM) und die Finite-Elemente-Methode (FEM), entwickelt, um das Stabilitätsverhalten solcher Strukturen zu analysieren. Die beiden letztgenannten Verfahren erfordern in Entwick-lungsphasen mit hochgradig iterativem Charakter wie Vorentwurf oder Optimierung jedoch oft einen hohen Berechnungs- und damit auch Zeitaufwand.

Der Fokus dieses Projekts liegt daher auf der Entwicklung von Berechnungsmethoden, die innerhalb von Sekun-denbruchteilen hinreichend genaue Ergebnisse liefern. Im Rahmen eines kooperativen Promotionsverfahrens unter der Betreuung von Prof. Dr.-Ing. Michael Seibel (HAW Hamburg), Dr.-Ing. Christian Mittelstedt (SOGETI Hightech) und Prof. Dr.-Ing. Jürgen Thorbeck (TU Ber-lin) werden verschiedene Berechnungsverfahren zur Be-schreibung des linearen und nicht linearen Beulverhaltens von versteiften und unversteiften Flächentragwerken entwickelt.

Für folgende Strukturkonfigurationen wird das lineare und nicht lineare Beulverhalten untersucht:• allseitig gelenkig gelagerte, schwach gekrümmte, or-

thotrope Kreiszylinderschale unter Längsdruckbelastung• anisotroper Plattenstreifen mit beidseitig elastisch ein-

gespannten Längsrändern unter biaxialer Druckbelas-tung und Schub

• orthotrope Platte mit einseitig elastisch eingespanntem und freiem Längsrand unter Druckbelastung

• mit T-Profilen versteifter, anisotroper Plattenstreifen mit periodischen Längsrandbedingungen unter Längsdruck-belastung und Schub

Die Forschungsergebnisse werden auf Konferenzen prä-sentiert und in wissenschaftlichen Fachzeitschriften pu bli-ziert. Im Folgenden soll als Beispiel der Fall des anisotro-pen Plattenstreifens (zweiter Punkt) vorgestellt werden.

Die strukturelle Konfiguration eines anisotropen Plat-tenstreifens im natürlichen ξ-η-Koordinatensystem zeigt das Bild oben. Als Lastfälle werden Längsdruck N0

x, Querdruck N0

y und Schub N0xy berücksichtigt. Während

die Längsränder durch Drehfedern der Steifigkeit K ein-gespannt sind, bestehen keine spezifischen Annahmen bezüglich der Randbedingungen an den Querrändern. Das Modell gilt daher nur für Fälle, in denen diese Rand-bedingungen einen vernachlässigbar geringen Einfluss haben, z. B. wenn lange Platten betrachtet werden. Die Beulhalbwellenlänge in Längsrichtung ist mit a be-zeichnet, die Breite mit b und die Schrägstellung der Knotenlinie mit Φ.

Millisekundenbereich ist das Verfahren deutlich schneller als FSM und FEM, bei denen die Berechnungszeiten im Sekunden- oder Minutenbereich liegen. Das Neue die-ses Berechnungsverfahrens liegt in der Erweiterung auf Laminatplatten mit beliebigem symmetrischem, ausge-glichenem Laminataufbau und der Berücksichtigung von zusätzlicher Querdruckbelastung.

Vergleichende Finite-Elemente-Berechnungen (Diagram-me auf dieser Seite) zeigen, dass die entwickelte Berech-nungsmethode abgesehen von Fällen mit Querdruck gute Näherungen für das Stabilitätsverhalten im frühen Nach-beulbereich liefert.

Beulverhalten dünnwandiger Laminatstrukturen

Als Berechnungsverfahren mit hoher Recheneffizienz wurden zur Lösung des Problems Variationsmethoden unter Verwendung einer Formfunktion mit nur wenigen Freiheitsgraden gewählt. Durch Einsetzen der Formfunk-tion in die Kompatibilitätsbedingung der ebenen Ver-zerrungen wird zunächst eine geschlossen-analytische Lösung der Airy’schen Spannungsfunktion gewonnen. Darauf wird unter Verwendung der Gleichgewichtsbe-dingung mit dem Galerkin-Verfahren die Last-Durchbie-gungs-Beziehung ebenfalls in geschlossen-analytischer Weise hergeleitet. Alle übrigen Kenngrößen, wie z. B. ebene Verschiebungen und Spannungen, können im Anschluss berechnet werden. Mit Berechnungszeiten im

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Dipl.-Ing. (FH) Matthias Beerhorst

[email protected]

Gegenüberliegende Seite: Strukturelle Konfiguration des anisotropen Plattenstreifens Oben: Vergleich der Ergebnisse des neu entwickelten Berechnungs-verfahrens (Analytic) mit den Ergebnissen nach der Finite-Elemente-Methode (FEM): Maximale Durchbiegung w (links) und mittlere Dehnung εxm (rechts) eines [±45]S-Laminats für kombinierte Belastung (N

0xy = N

0x) bei beidseitiger gelenkiger Lagerung (SS) und fester Einspannung (CC)

Eine Untersuchung von Möglichkeiten zur Verbesserung der Reisebedingungen von behinderten Menschen und Personen mit speziellen Anforderungen

Passagiere mit eingeschränkter Mobilität (PRM: persons with reduced mobility) haben das gleiche Recht wie andere Bürger auf Freizügigkeit, Wahlfreiheit und Nichtdiskriminie-rung. Dies gilt auch für Flugreisen. Die Beförderung sollte ihnen nicht aus Gründen der eingeschränkten Mobilität verweigert werden. Damit sie vergleichbare Reisemöglich-keiten wie andere Bürger haben, soll ihnen entsprechend ihren besonderen Bedürfnissen Hilfe gewährt werden – auf Flughäfen, durch das Personal an Bord von Flugzeugen und durch die besondere Ausstattung der Infrastruktur. Die Be-troffenen sollen dabei Hilfe ohne zusätzliche Kosten erhal-ten. Gemäß der Definition von PRM sind Behinderungen aufgrund des Alters ausdrücklich eingeschlossen.

Im Rahmen des Projekts PEREC untersucht die HAW Ham-burg die Bedürfnisse von Reisenden mit speziellen Anfor-derungen entlang der Reisekette. Die Hochschule erar-beitet mit den Studierenden auf verschiedenen Ebenen organisatorische und technische Möglichkeiten, um die Reisequalität zu verbessern und den Airlines auch neue Kunden zuzuführen. Ziel ist die Erarbeitung der Anforde-rungsprofile von Flugreisenden mit speziellen Bedürfnissen und deren konzeptionelle, organisatorische und technische Umsetzung entlang dieser Flugreisekette. Hierfür werden offene Lastenhefte erstellt, die für weitere Lehr- und Ent-wicklungsaufgaben insbesondere in der Flugzeugkabine verwendet und auch für neue Nutzergruppen und Trends erweitert werden können.

Für den noch jungen Bereich Kabine und Kabinensysteme im Flugzeugbaustudium ist das Projektthema zu den An-forderungen besonderer Nutzergruppen in der zivilen Pas-sagierluftfahrt ein weiteres wichtiges Gebiet zur Stärkung und Profilierung der Lehre und Forschung im Departement Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau. Aufbauend auf dem spezifizierenden Lastenheft sollen Konzepte im Gesamt-layout sowie auf Modul-, Komponenten- und Bauteilebe-ne unter Berücksichtigung der Kabinensysteme erarbeitet werden. Wesentlich ist hierfür die laufende Abstimmung mit betroffenen Nutzern sowie mit den zulassenden Behör-den und Wartungs- und Instandhaltungsbetrieben. Geprüft wird der multimodale Aspekt, d. h., ob Lösungen in den definierten Untersuchungsfeldern von oder bei anderen Verkehrsträgern sinnvoll für die Flugzeugkabine adaptiert und in diese integriert werden können. Dies erfordert die Entwicklung von anpassbaren Konzepten für die jeweiligen Nutzergruppen. Zu diesem Zweck werden Bewertungen nach Nutzungs-, Kosten-, Baubarkeits-, Wartungs- und Akzeptanzanforderungen durchgeführt. Diese Arbeiten werden als Ansätze und Grundlagen für in ein Reiseumfeld integrierte zukünftige Entwicklungen von und in Flugzeug-kabinen und deren Systemen verstanden.

Durch den direkten und praxisorientierten Arbeitsprozess werden konkrete Konzepte mit sofortigen Auswirkungen auf die Flugzeughersteller, die Zulieferindustrie und die-Airlines nicht nur im Bereich Flugzeugbau erwartet. Die Ergebnisse prototypischer Realisierungen von Konzepten werden im Labor für Kabine und Kabinensysteme im Ham-burg Centre of Aviation Training (HCAT) präsentiert. Die zu entwickelnden Interiorkomponenten reichen von der

• in x-Richtung verschiebbarer Gangsitz für Behinderte• bordeigener Rollstuhl mit direktem Transfer über das WC-

Becken (ohne Umsetzen)• Ausgleichspolster für Rollstuhl• WC-Unterdusche zur Behindertenhygiene• bewegliches Lavatorylayout für Behinderte im Single-Aisle• kontrastreiche Funktionselemente in der Lavatory• Radarortung der Handausrichtung mit akustischer Erklä-

rung in der Lavatory• Audioguide für Lavatorybenutzung• Audioguide für die Evakuierungskarte• visuelle Umsetzung akustischer Ansagen • Konzept Adipositas (Erweiterung des persönlichen Frei-

raums)• Privatsphäre in der Economyklasse• Wickeltisch mit Drehpanel• integrierter Tisch und Bedienpanel in vorderer Attendant-

Station• Audioguide „Von Schalter zu Schalter“ • individuelle Sitzerweiterung für Kinder und Kleinwüchsige• Gebetsräume für Angehörige unterschiedlicher Religionen• multifunktionale Add-ons auf Kabinen-Monumenten (z. B.

Babybehältnisse)

Personenzentrierte rekonfigurierbare Kabine

PEREC

Untersuchung über die Baubarkeit, Gebrauchstauglich-keit und Zulassung bis zu methodischen und statistischen Überlegungen im Rahmen der Evaluierung der entworfe-nen Module.

Der Aspekt der Prozessanalyse, der im Bereich Kabine und Kabinensysteme im Flugzeugbau gegenwärtig noch we-nig berücksichtigt wird, kann mithilfe dieser praktischen Konzepte innerhalb dieses Projektes behandelt und vertieft werden.

Folgende Konzepte wurden bisher auf Prinzipebene ent-wickelt und visualisiert:

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Dipl.-Des. Thomas-Mathias Bock

[email protected]

Gegenüberliegende Seite: Bordeigener Rollstuhl zum Transfer über die WC-Brille Oben: Verbreiterter Sitz für Adipositas-Passagiere, Rollstuhltransfer zum WC, Fußstütze für Kleinwüchsige und Audioguide für Blinde

Moderne Systeme und insbesondere Flugzeug-systeme werden in ihrer Architektur und Steuerung immer komplexer, sodass Anfor-derungen und Spezifikationen auch mit Blick

auf ihre Schnittstellen zu Nachbarsystemen erhebliche Um-fänge annehmen und unübersichtlich werden. Die Entwick-lung solcher Systeme kann zudem nur in Zusammenarbeit mit vielen spezialisierten Unternehmen geleistet werden, in deren Kommunikation untereinander unvermeidlich Miss-verständnisse auftreten.

Hier setzt das in Zusammenarbeit mit Airbus und der Uni-versity of the West of Scotland durchgeführte Forschungs-projekt „Agent-based Test Approach“ an.

In der Entwicklung von Software haben sich in den letzten Jahren die objektorientierten Methoden etabliert, sie bilden den gegenwärtigen Standard für die Entwicklung komple-xer Software in einer verteilten und komplexen Umgebung.Da das Testen von Flugzeugsystemen, die hochdynamische, offene und nicht deterministische Charakteristiken aufwei-sen und komplexe Interkommunikationen mit ihrer Syste-mumgebung ausführen, mit klassischen Methoden nicht mehr zu bewältigen ist, wurde im Rahmen des Forschungs-projekts ein neuer, agentenbasierter Ansatz entwickelt.

Agenten sind Softwareentitäten, die die Fähigkeit besitzen, autonom und adaptiv in einer Testumgebung zu interagieren.

Da Systeme und Systemkomponenten – bedingt durch un-terschiedliche Entwicklungsprozesse der Hersteller – in unter-schiedlicher Weise entwickelt werden, muss für die Entwick-

lung von Tests eine spezifische Abstraktion der vorliegenden Systeminformationen durchgeführt werden.

Für die verschiedenen Systeminformationen wurden hierfür drei Abstraktionsschichten entwickelt, die es ermöglichen, mit vielfältigem Systemwissen, dessen Repräsentation und dessen Verarbeitung umzugehen. Generell wurde für den Abstraktionsprozess ein sogenanntes Component Ab- straction Model (CAM) definiert, das für jede Abstraktions-schicht spezifiziert werden kann.

Für die Interkommunikation der CAM-Entitäten mit dem zu testenden Element (Systemkomponente, System, Mul-tisystemfunktion) wiederum wurde ein sogenanntes Com-ponent Control Model (CCM) entwickelt, das aus einem generischen, von der verwendeten Testeinrichtung unab-hängigen Teil und einem spezifischen Teil besteht, der an die unterschiedlichen Testeinrichtungen angepasst wird.

Da zu testende Elemente in unterschiedlicher Weise spezi-fiziert sind und in unterschiedlichen Kontexten interagieren müssen, wurde für die CAM-Entitäten eine Wissen-Reprä-sentations-Entität hinzugefügt. Für die Bildung der Wis-sens-Repräsentations-Entität wurde die sogenannte Coded Timed Abstraction State Machine (CTASM) entwickelt. Die Notwendigkeit zu dieser Neuentwicklung ergab sich, weil Systemzustände und Zustandstransitionen in Abhängigkeit von Zeit und zeitlich orientierten Ereignissen definiert wer-den sollen. Die CTASM ist eine Erweiterung der Abstraction State Machine (ASM) von Alur und stellt ein zweites Ergeb-nis des Forschungsprojekts dar.

Implementierung der MAIP wurden Methoden der Imple-mentierung von verteilten Echtzeitobjekten eingesetzt. Die MAIP stellt zusätzliche Dienste wie z. B. Messaging, Notifi-cation oder Reporting zur Verfügung und gewährleistet so die Interaktion zwischen den Entitäten.

Fehler in Systemen und Systemkomponenten, die in eine komplexe Umgebung wie in einem Flugzeug eingebettet sind, zu erkennen und zu lokalisieren, stellt bei Integra-tionstests eine sehr große Herausforderung dar. Der hier vorgestellte Ansatz erlaubt durch neue Fähigkeiten, diese Herausforderung zu meistern. Er unterscheidet sich von an-deren Lösungen durch zwei grundlegende Eigenschaften: Zum einen sind dies die Lern- und Adaptionsfähigkeiten der Testagentensoftware, die in vielen Fällen in der Lage ist, detaillierte Informationen z. B. über Systemzustände und Interfacebelegungen und deren Gültigkeitsbereich durch logische Schlussfolgerungen und Mustererkennung selbst-ständig zu erschließen und damit Testingenieure in ihrer Aufgabe wesentlich zu unterstützen. Zum anderen ist die Agentenimplementierung in relativ einfacher Weise mög-lich und damit eine Alternative zu einem Expertensystem, das nur von speziell ausgebildeten Ingenieuren bedient werden kann.

Das Projekt wird von Herrn Dipl.-Ing. Maan Al-Homci (Air-bus Operations GmbH), Doktorand an der HAW Hamburg, bearbeitet.

Systemvalidierung und -verifizierung mithilfe von Softwareagenten

Mit dem CCM und dem CAM waren die Grundlagen für den agentenbasierten Ansatz bereitgestellt. Da für die Ve-rifikation von Systemen keine geeignete Implementierung bekannt war, wurde auf Basis des BDI-Modells (Belief, De- sire and Intentions) ein generisches Agentenmodell entwi-ckelt, mit dem weitere spezifische Agenten modelliert wer-den können.

Um die drei Hauptentitäten (CAM, CCM und Agenten) zu integrieren, wurde eine Multi Agent Integration Platform (MAIP) entwickelt. Hiermit wird eine Plattform bereitge-stellt, die die Interkommunikation von unterschiedlichen Entitäten und Rechnerarchitekturen ermöglicht. Für die

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Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Gleine

[email protected]

Basismodell der Multi Agent Integration Platform (MAIP) für eine Anwendung von Integrationstests von Flugzeugsystemen

Vor dem Hintergrund steigender Umweltbelas-tungen durch menschliche Einflüsse mit zu-nehmenden negativen Auswirkungen auf das irdische Leben müssen u. a. auch neue Wege

in den für eine Umweltbelastung relevanten industriellen Prozessen gefunden werden. Sogenannte Einwegprozes-se, bei denen Ressourcen dem System Erde entnommen, zeitlich befristet genutzt und dann als gasförmiger, flüssi-ger oder fester Abfall deponiert werden, sind die Ursache der negativen Auswirkungen auf die Umwelt und müssen durch Kreislaufprozesse ersetzt werden. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass ausgediente Produkte recycelt wer-den und so Abfall vermieden wird. Ökoeffiziente Produkte sollen diesem Zyklusmodell nahekommen, dabei möglichst wenig Nutzenergieverbrauch verursachen und zudem wirt-schaftlich sein.

Das hier ansetzende Forschungsprojekt „Ökologische Kabineninteriorkonzepte“ im Vorhaben „Komfort‑, ferti-gungs‑ und energieoptimierte Greenlinerkabine“ als Teil des Verbundvorhabens „Greenliner‑Kabinentechnologie und multifunktionale Brennstoffzelle“ wird von der HAW Hamburg im Rahmen der Spitzenclusterinitiative 2009 bis 2013 des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) in Zusammenarbeit mit EADS Innovation Works und Fraunhofer PYCO durchgeführt.

Auch Ausstattungselemente für Flugzeugkabinen sollen zukünftig ökoeffiziente Eigenschaften aufweisen. Mit dem Ziel einer weiteren Gewichts‑ und Bauraumeinsparung für das gesamte Flugzeug sowie einer Steigerung der Ferti-gungseffizienz der Kabinenausstattung gegenüber dem

heutigen Stand werden neue strukturelle Eigenschaften durch Entwicklung und Auswahl spezieller Materialien und Bauweisen in Kabinenwandelemente integriert. Die Kabi-nenwand soll so als Träger für erweiterte Kabinenfunktio-nen fungieren, um einen Teil der konventionellen Bauele-mente der Kabinenausstattung einzusparen. So könnten z. B. Kommunikationsnetze und Stromversorgungen von Systemen, Beleuchtungs‑, Anzeige‑ und Bedienelemente, strömungsmechanische Systemkomponenten, akustische Elemente zur Senkung des Kabinenlärmpegels oder Audio-systeme für eine wohlklingende Kabinenbeschallung in die Struktur der Ausstattungselemente integriert werden.

Bisher übliche Anforderungen in den Bereichen Passagier‑ sicherheit, Komfort und Wartung müssen selbstverständ-lich weiterhin erfüllt werden. Eine hohe Wertbeständigkeit der Ausstattung wird dabei immer vorausgesetzt, ist aber nicht explizit definiert, und damit verbundene Alterungs-effekte sind im Detail bisher nicht untersucht. In einem Teilprojekt wurde daher diese Fragestellung untersucht, um eine Datenbasis für Vergleiche mit neuen, recyclingfähigen Materialien zu erhalten.

Die Untersuchung der Alterungseffekte wurde sowohl an äquivalenten fabrikneuen Elementen als auch an Ka-binenwandelementen (Deckenverkleidungen), die unter Einsatzbedingungen im Flugzeug alterten, durchgeführt. Als charakterisierende Parameter wurden Änderungen des spezifischen Gewichts, der mechanischen Biegefestigkeit und der akustischen Dämmeigenschaften herangezogen. Nach Eingangsmessungen wurden die zu untersuchenden Elemente in einer Klimakammer definierten Temperatur‑

erstmals einem Befeuchtungszyklus ausgesetzten Elemente ihre Ausgangsbiegefestigkeitswerte nicht wieder. Es war also ein Alterungseffekt messbar, der sich nach weiteren Klimakammerzyklen allerdings nicht weiter verstärkte. Ur-sache könnten Mikrorisse oder Mikrohohlräume sein, die aus Verdrängungswirkungen eindringender Wassermole-küle resultieren. Genaue mikroskopische Untersuchungen werden noch durchgeführt.

Die akustischen Eigenschaften fabrikneuer Elemente blie-ben nach allen Klimazyklen im Rahmen der Messgenauig-keit unverändert.

Vergleichende Messungen an entsprechenden Bauteilen, die realen Betriebsbedingungen im Flugzeug ausgesetzt waren, ergaben ähnliche Ergebnisse wie bei den fabrikneu-en Elementen.

Es zeigte sich in den Untersuchungen, dass sich heutige Kabinenausstattungselemente im Laufe der Betriebsdauer nur sehr geringfügig verändern und damit eine sehr gute Wertbeständigkeit bezüglich der gemessenen Parameter aufweisen. Diese Eigenschaften müssen auch von neuen ökoeffizienten Kabinenbauteilen erfüllt werden.

Das Projekt wird von Herrn Nils Ischdonat, M. Sc. (EADS Innovation Works), Doktorand an der HAW Hamburg, be-arbeitet.

und Feuchteschwankungen, die im Vergleich mit typischen Betriebsbedingungen erhöht waren, ausgesetzt. Die Zy‑ kluszeiten wurden entsprechend den kleinsten messbaren Parameteränderungen angepasst.

Die Ergebnisse zeigten bei fabrikneuen Elementen nur sehr geringe maximale Feuchteaufnahmewerte im Bereich von 2–3 %, die nach einer Trocknungsphase wieder vollständig auf die Ausgangswerte zurückgingen.

Die mechanische Biegefestigkeit fabrikneuer Elemente ver-ringerte sich in Verbindung mit einer Feuchteaufnahme um bis zu 15 %. Nach den Trocknungsphasen erreichten diese

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Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Gleine

wolfgang.gleine@haw‑hamburg.de

Ökoeffiziente und multifunktionale Ausstattungselemente für Flugzeugkabinen

Das mit jährlichen Wachstumsraten von etwa 5 % immer weiter steigende Luftverkehrsauf-kommen muss in Einklang gebracht werden mit begrenzten Ölressourcen und daraus resultie-

renden stetig steigenden Kerosinpreisen und mit strenger werdenden Umweltschutzauflagen. Zukünftige Flugzeug-entwicklungen müssen sich daher durch neue Materialien, Bauweisen, Konfigurationen und Antriebskonzepte von heutigen Serienmaschinen deutlich unterscheiden, um zu einer Steigerung der Treibstoffeffizienz beizutragen.

Aus dieser generellen Herausforderung für zukünftige Flug-zeuggenerationen leitet sich die wissenschaftlich-techni-sche Bedeutung des Forschungsverbundprojekts „Comfor-table Cabin for low Emission Aircraft“ (COCLEA) der HAW Hamburg ab, das das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) im Rahmen des vierten zivilen Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo IV‑4) fördert und das in Zusammenarbeit mit Airbus, EADS Innovation Works, TUHH, DLR und Fraunhofer PYCO durchgeführt wird.

Nach heutigem Stand der Technik sind turbinenangetriebe-ne Gegenlaufpropeller sehr effiziente Flugzeugantriebe, die höhere Wirkungsgrade als die gegenwärtig eingesetzten Strahltriebwerke besitzen. Ein besonderer Nachteil des An-triebs ist allerdings die erhebliche Lärmentwicklung, deren tieffrequente Tonanteile besonders leicht in eine Flugzeug-kabine eindringen und einen unakzeptabel hohen Kabi-nenlärmpegel hervorrufen können. Die Akustik stellt daher eine wichtige Auslegungsdisziplin für die Optimierung des Gesamtflugzeugentwurfs im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit (Gewicht akustischer Maßnahmen) und Kabinenkomfort

einschließlich der Einhaltung von Lärmarbeitsschutzricht-linien dar. Akustische Lösungen für diese Flugzeugkon-figuration sind einerseits eine große technologische He‑ rausforderung, andererseits aber auch ein entscheidendes Kriterium für die Akzeptanz solcher Flugantriebe.

Das COCLEA‑Forschungsprojekt hat daher zum Ziel, für eine neue Generation von Kurz‑ und Mittelstreckenflugzeugen, die über zwei im Heckbereich installierte Flugantriebe mit jeweils gegenläufigen Propellern verfügen sollen, neuartige Schallschutzmaßnahmen geringen Gewichts zu entwickeln. Hierzu gehören auch verbesserte Vorhersagemethoden und Entwicklungswerkzeuge sowie eine Datenbasis ausrei-chender Präzision, aus der die physikalischen Abhängigkei-ten hochkomplexer Parameter erkennbar werden.

Die Forschungsarbeiten an der HAW Hamburg konzentrie-ren sich zunächst auf den Entwurf und das Studium neuar-tiger Schallschutzmaßnahmen. Diese sind vor allem darauf ausgerichtet, erstmals gezielte akustische Maßnahmen in die Rumpfbauweise einzubringen, da dort Propellerschall aufgenommen, weitergeleitet und nach innen in die Kabi-ne abgestrahlt werden kann. Zusätzlich werden neuartige Konzepte für ein Lärmschutzschild konzipiert und unter-sucht, um den auf den Rumpf gerichteten Propellerschall abzuschirmen. Auf diese Weise sollen allein durch den Auf-bau der Kabinenausstattung erreichbare akustische Maß-nahmen wirkungsvoll ergänzt werden, um ein möglichst geringes Gesamtgewicht aller akustischer Maßnahmen zu erreichen.

In diesem Rahmen wird die HAW Hamburg eine einer Sektion 19 (konischer Bereich) entsprechende Rumpfnach-bildung mit zugehörigem Druckschott im Maßstab 1 : 1 aufbauen, um daran mit den Projektpartnern geeigne-te leichtgewichtige Lärmminderungsmaßnahmen für die Rumpfstruktur zu entwickeln. Hierbei wird sich die HAW auf eine messtechnische Erfassung lärmkritischer Schall-pfade und die Optimierung zuvor entwickelter Lärmminde-rungskonzepte sowie deren experimentelle Wirkungsnach-weise konzentrieren.

Im Verbund mit den Projektpartnern und ihren Forschungs-beiträgen (TUHH – neuartige Berechnungs‑ und Simulati-onsverfahren, Fraunhofer PYCO – neuartige Materialien für akustische Maßnahmen, Airbus – Gesamtbewertung und Integration der Konzepte) werden neue Lösungen für die untersuchten Problemstellungen erwartet.

Das Projekt wird von Herrn Felix Langfeldt, M. Sc. (HAW Hamburg), Doktorand an der HAW Hamburg, bearbeitet.

Um hinreichend genaue akustische Untersuchungen durch-führen zu können, soll eine geeignete, möglichst verein-fachte Nachbildung eines hinteren Abschnitts eines Flug-zeugrumpfs (Sektion 18 und 19) im Maßstab 1 : 1 mit einer physikalisch realen Schallfelderzeugung aufgebaut werden. Dieser Flugzeugrumpf‑Lärmsimulator dient zur Gewinnung akustischer Messdaten, die einerseits für den Vergleich von Simulationsrechnungen benötigt werden und andererseits die vibroakustischen Schwachstellen der Struktur aufde-cken können. Darüber hinaus soll die Rumpfnachbildung genutzt werden, um Prototypen akustischer Lärmminde-rungsmaßnahmen zu verifizieren.

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Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Gleine

wolfgang.gleine@haw‑hamburg.de

Reduktion der Schallübertragung bei Antrieben mit ge-genläufigen Propellern

Neugestaltung des Innendesigns mithilfe weißen und far-bigen Lichts zur Steigerung des Wohlbefindens

Aufgrund der gegenwärtigen Fenstergrößen von Flugzeu-gen wird in der Kabine künstliches Licht benötigt. Es ist zum einen aus Sicherheitsgründen erforderlich, zum an-deren soll es dem Personal die Erfüllung seiner Aufgaben ermöglichen und den Passagieren Gelegenheit geben, zu lesen, zu arbeiten oder einfach zu relaxen. Darüber hinaus ist Licht aber auch ein wichtiger Aspekt der Kabinengestal-tung. Doch hat künstliches Licht auch einen direkten Ein-fluss auf körperliche Prozesse und auf das Wohlbefinden an Bord? Kann Licht eventuell sogar den Stimmungszustand positiv unterstützen?

VersuchsaufbauUm die Wirkung von künstlichem Licht zu untersuchen, wurde im Hamburg Centre of Aviation Training (HCAT) die

Kabine eines Airbus A320 im Maßstab 1 : 1 aufgebaut und mit weißer und farbiger LED-Beleuchtung bestückt. In einer Untersuchungsreihe wurde dann sowohl die Wirkung von Weißlichtszenarien als auch von farbigen Lichtstimmungen (RGB-LEDs) ermittelt. Zum Vergleich wurde innerhalb der Kabine auch das klassische Leuchtstofflampen-Standard-licht eingebaut.

Die LED Lichtquellen wurden in Form von LED-Streifen und LED-Kacheln der Firma Traxon (64 Pixel auf einer Fläche von 240 mm × 240 mm) eingebaut, die über die e:cue-Applica-tion-Suite mithilfe eines iPads gesteuert werden können. Die LED-Kacheln wurden als eine Art Medienfassade in der Mitte der Ceiling-Panels installiert – so wurde nicht nur die Art der Beleuchtung, sondern auch die Anbringung im Vergleich zum Standard verändert. Eine bessere Verteilung des Lichts im Raum bewirkte eine vor den LED-Kacheln angebrachte satinierte Acrylglasscheibe. Die LED-Streifen befanden sich wie die standardisierte seitliche Beleuchtung hinter den Prismenscheiben. Die verwendeten LED-Bauteile dienten lediglich der Versuchsdurchführung, sie entspra-chen nicht den Normen der Flugtauglichkeit.

VersuchsdurchführungFür die Versuche wurde die Wirkung von fünf in der Farb-temperatur unterschiedlichen Weißlichtstimmungen analy-siert. Eingesetzt wurden zwei kaltweiße und zwei optisch warmweiß wirkende, neutralweiße Stimmungen sowie eine mit dem Leuchtstofflampenlicht vergleichbare Licht-stimmung. Diese Lichtstimmungen wurden jeweils aus den eingebauten RGB-LEDs gemischt. Für die farbigen Szena-rien wurden die Grundfarben Rot, Grün und Blau sowie

ErgebnisseBei Betrachtung der Weißlichtszenarien zeigt sich, dass bis auf die stark bläuliche Lichtstimmung alle über LED rea-lisierten Stimmungen besser abschneiden als das Leucht-stofflampenlicht. Die durch die LED-Kacheln beleuchtete Decke hatte einen positiven Effekt auf die Empfindung der Raumgröße, sie wirkte raumerweiternd. Der Wohlfühlfak-tor war bei den neutralweißen Stimmungen sowie bei den Farben Grün und Amber am höchsten; es konnte kein nen-nenswerter Anstieg der physiologischen Werte bei diesen Szenarien festgestellt werden. Offenbar hatte sich ein ruhi-ger und ausgeglichener Zustand der Passagiere eingestellt.Männer und Frauen bewerteten die Lichtszenarien aller-dings signifikant unterschiedlich. Während blaues Licht so-wohl im Reinton als auch in der bläulichen Erscheinung der kaltweißen Stimmungen von den männlichen Probanden positiver als von den weiblichen bewertet wurde, fühlten sich die weiblichen Probanden durch rotes Licht bzw. wär-mere Lichtfarben mehr aktiviert als die männlichen. Die Ergebnisse der Versuchsreihe verdeutlichen, dass künst-liches Licht die Stimmung der Passagiere beeinflussen kann und dass bei „richtigem“ Licht der Wohlfühlfaktor steigen kann.

Bei künftigen Untersuchungen sollten Kombinationen aus Farben und Weißlicht untersucht werden. Dabei wäre wegen der noch nicht zufriedenstellenden Lichtqualität

ein Augenmerk auf bessere Farbwiedergabewerte der weißen LEDs zu legen.

Neuartige Lichtgestaltung in der Flugzeugkabine

Cyan, Magenta und Amber eingesetzt. Die Bewertung der unterschiedlichen Lichtstimmungen erfolgte mithilfe von 64 Probanden (40 männliche und 24 weibliche Versuchs-personen im Alter von 19 bis 65 Jahren). Neben einer Befra-gung zur eigentlichen Lichtstimmung mittels des weltweit evaluierten psychologischen PAD-Modells (Pleasure, Arou-sal, Dominance) von Mehrabian und Russell wurde ein wei-terer Fragebogen zur Wirkung des Raumes und des Lichts verwendet. Als Neuerung wurden zusätzlich Messungen physiologischer Werte (EKG und Atmung) zur Beurteilung der Beeinflussung der körperlichen Prozesse durchgeführt. Die Aufnahme dieser physiologischen Werte erfolgte mit einem Biopac-MP36-Gerät.

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Prof. Dr.-Ing. Roland Greule

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Das Leichtbau-Labor ist eine Einrichtung des De-partments Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau in der Fakultät Technik und Informatik der HAW Hamburg. Schwerpunkte von Forschung und

Versuchen sind moderne Faserverbundwerkstoffe und tra-ditioneller Leichtbau.

Hauptaufgaben des Leichtbau-Labors sind die praktische Ausbildung von Studierenden auf dem Gebiet der Faserver-bundwerkstoffe und des Leichtbaus, die Weiterbildung von berufstätigen Ingenieuren und Technikern sowie die For-schung und Entwicklung in den genannten Schwerpunkt-bereichen, in der Regel in Zusammenarbeit mit der Indus- trie. Neben der Durchführung eigener Projekte in Forschung und Entwicklung versteht sich das Leichtbau-Labor auch als Dienstleister innerhalb und außerhalb der Hochschule.

Dem Leichtbau-Labor stehen für seine Aufgaben verschie-dene Standardgeräte und Eigenkonstruktionen zur Verfü-gung.

Für die Anwendung moderner Faserverbundwerkstoffe im Flugzeugbau ist ein Autoklav unverzichtbar. Der installierte Autoklav der Firma Scholz Maschinenbau erlaubt Einsatz-temperaturen bis 250 °C bei einem Druck bis 12 bar. Er er-möglicht das Autoklavieren von Bauteilen mit einem Durch-messer bis 1 m und einer Länge bis 1,5 m. Zur Anwendung der Prepregtechnologie stehen ein eigener Auflegeraum zum Laminieren der Bauteile mit entsprechenden Arbeits-schutzvorrichtungen sowie verschiedenen Vakuumpumpen zur Verfügung. Als weiteres Verfahren kann neben der Pre-pregtechnologie auch das Vakuuminfusionsverfahren zur

Herstellung hochwertiger Bauteile mit hohen Fasergehal-ten und hervorragenden mechanischen Eigenschaften ein-gesetzt werden.

Für die statische und dynamische Prüfung von Werkstoffen verfügt das Labor u. a. über servohydraulische Prüfmaschi-nen von Schenk und Instron mit Maximallasten von 100 kN bei statischen Versuchen und von 80 kN bei dynamischen Prüfungen. Die Auswertung der Versuche kann sowohl mit einem klassischen Extensometer als auch auf optischem Weg mittels Videoextensometer erfolgen.

Hochdynamische Prüfungen sind mit zwei vertikalen und einem horizontalen Impaktprüfstand möglich. Der hori-zontale Impaktprüfstand ist ein Pendelprüfstand mit einer Pendellänge von 1500 mm und einem Pendelgewicht von 450 kg. Der auf dem Prüfstand montierte Crashschlitten erlaubt, insbesondere Bauteile aus dem Pkw-Bereich mit einer Aufprallgeschwindigkeit bis zu 12 km/h zu prüfen. Für vertikale Prüfungen sind in dem ersten Fallturm des Labors Fallmassen zwischen 200 kg und 500 kg bei einer maxima-len Fallhöhe von 1 m realisierbar. Der zweite Fallturm, der Versuche auch bei deutlich niedrigeren Prüfenergien und höheren Impaktgeschwindigkeiten erlaubt, wurde Anfang 2012 in Betrieb genommen. Die effektive Fallhöhe beträgt hier 4 m, die maximale Fallmasse 70 kg. Die Probekörper können auf einer Aufspannfläche von maximal 1 m² unter-gebracht werden. Da dieser Fallturm auch für Versuche bei niedrigen Impaktenergien vorgesehen ist, wurde die Min-destfallmasse des Schlittens mit 17 kg gering gehalten. Wei-tere Varianten des Impaktschlittens mit Mindestfallmassen von 8 kg bzw. 1 kg sind in Planung. Für die Auswertung der

Klimakammer ermöglicht die Lagerung von Proben unter geregelten Bedingungen sowie die Durchführung von Kli-matests bei variablen Feuchte- und Temperaturwerten.

Ein weiterer Ausbau der Laboreinrichtungen ist in Vorbe-reitung. So wird für die zerstörungsfreie Prüfung von Fa-serverbunden eine Ultraschallanlage beschafft, die eine Prüfung von Verbundwerkstoffen auf gegebenenfalls von außen nicht sichtbare Delaminationen ermöglicht. Bei der Untersuchung von Kunststoffen, zu denen auch die Faser-verbunde gehören, ist ebenfalls eine klimatisierte Prüfung im statischen wie im dynamischen Bereich notwendig. Hierfür soll ein weiterer Klimaschrank beschafft werden, der eine mobile Klimatisierung der jeweiligen Prüfstände erlaubt.

Personelle Ausstattung• Laborleiter: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Huber • 4 technische Angestellte

Mit dem Leichtbau-Labor sind weitere drei Fachprofesso-ren assoziiert, die derzeit insgesamt drei weitere wissen-schaftliche Mitarbeiter beschäftigen.

Leichtbau-Labor: Werkstoffe und effektiver Leichtbau

Versuche wird eine Hochgeschwindigkeitskamera von Pho-tron mit einer Bildfrequenz von 1000 s–1 eingesetzt.

Mit einer Modalanalyse kann im Leichtbau-Labor auch das Schwingungs- und Akustikverhalten von Strukturen unter-sucht werden. Die Modalanalyse verfügt über insgesamt 32 triaxiale Schwingungsaufnehmer und einen Shaker.

Da das Verhalten von polymeren Verbundwerkstoffen stark von der Einsatztemperatur und der Feuchte abhängt, ver-fügt das Labor über eine moderne Klimakammer, mit der Temperaturen von –70 °C bis +180 °C und eine relative Feuchte von 10 % bis 98 % realisiert werden können. Die

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Prof. Dr.-Ing. Ulrich HuberLeiter Leichtbau-Labor

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Moderne Passagierflugzeuge sollen leistungs-fähig und effizient, aber auch komfortabel sein. Zum akustischen Komfort einer Flug-zeugkabine zählt die Einhaltung vorge-

schriebener Geräuschpegelhöchstwerte ebenso wie die Unterdrückung störender Einzelgeräusche. Bei früheren Flugzeugtypen waren die Konstrukteure für diese Ziel-stellungen primär auf ihre Erfahrung und physikalische Messungen angewiesen. Im Rahmen der virtuellen Pro-duktentwicklung steht heute spezielle Software auch für die Simulation akustischer Effekte zur Verfügung. Anders als in der Automobilindustrie gibt es im Flugzeugbau keine Prototypenphase, sodass numerische Experimente an virtu-ellen Prototypen eine wichtige Komponente des Entwick-lungsprozesses darstellen.

Flugzeugkabinen sind Leichtbaukonstruktionen. Wie in Au-tomobilkabinen kann daher ein Teil des Innengeräusches auf die Übertragung von Schwingungen dünnwandiger Blechfelder zurückgeführt werden. Hinsichtlich der Dimen-sionen, insbesondere des für Akustiker wichtigen Verhält-nisses der Konstruktionslänge zur akustischen Wellenlänge, sind die Herausforderungen an die Flugzeugentwickler aber eher mit der Bauphysik oder dem Schiffbau zu vergleichen. Art und Intensität des Innengeräusches in der Kabine hän-gen wesentlich von den Schallquellen ab, die nach äuße-ren und inneren Quellen unterschieden werden. Die Luftschwingungen aus Antrieb und Umströmung werden an der Außenhaut aufgenommen und durch deren Schwingungen nach

innen übertragen. Zu den inneren Schallquellen zählen z. B. die Strahler der Klimaanlage. Zudem werden Aggre-gateschwingungen über Körperschallpfade in die Kabine übertragen. Die verschiedenen Quellen strahlen sowohl breitbandige stochastische als auch schmalbandige tonale Geräusche ab.

Zur Simulation der konstruktiv relevanten vibroakusti-schen Effekte sind je nach Anforderungen und Zielgrö-ßen verschiedene numerische Verfahren gebräuchlich. Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist vor allem im nie-der- bis mittelfrequenten Bereich und an Teilmodellen mit hoher Detailtreue, wie z. B. der Durchschallung typischer Wandsegmente, einsetzbar. Hochfrequente Effekte in der Gesamtkabine werden dagegen mit der statistischen Ener-gieanalyse (SEA) oder der Ray-Tracing-Methode modelliert.

Vibroakustische Simulation mit FE-ModellenFür eine vollständige vibroakustische Simulation werden FE-Modelle der Kabine und des akustischen Mediums (Luft) benötigt. Bei der Vernetzung ist eine frequenzabhängige Netzfeinheit zur ausreichenden Auflösung der relevanten Wellenlängen zu gewährleisten. Kleine Amplituden und lineares Materialverhalten vorausgesetzt, kann das ma-thematische Modell der numerischen Berechnung als ge-koppeltes System linearer Gleichungen in folgender Form dargestellt werden:

haft die FE-Simulation von Luftschall bzw. vibroakustischer Abstrahlung: das Bild auf S. 22 zeigt die Simulation des Di-poleffekts bei gegenphasiger Wirkung zweier benachbarter Luftschallquellen, die Bilder oben den Koinzidenzeffekt bei der Abstrahlung von Biegewellen einer schwingengen Platte. Während oben rechts der akustische Kurzschluss unterhalb der Koinzidenzfrequenz zu erkennen ist, zeigt das Bild oben links die hochfrequente Abstrahlung ebener Wellen. Diese Beispiele können analytisch verifiziert werden, wobei die analytischen Lösungen eine reflexionsfreie Abstrahlung der Schallwellen „ins Unendliche“‚ beinhalten. Diese Abstrahlbe-dingung wird in der FEM näherungsweise realisiert.

Methodische UntersuchungenIm Forschungsschwerpunkt Dynamik und Interaktion von Fluiden und Strukturen (DISS) werden in Kooperation mit der Gruppe Interior and Near Field Noise der Airbus Operations GmbH mehrere thematisch zusammenhängende Untersu-chungen zur Effizienz und Zuverlässigkeit der FEM für die niederfrequente Schwingungs- und Schallsimulation in Flug-zeugkabinen durchgeführt. Zur Validierung steht bei Airbus ein skaliertes Modell einer Flugzeugstruktur zur Verfügung. Die Berechnungen und Messungen werden am skalierten Modell als auch an großskaligen Flugzeugstrukturen ausge-führt. Der besondere Fokus liegt auf vibro- und aeroakusti-schen Simulationen für neue Antriebskonzepte. Ausgewählte Ergebnisse wurden auf Fachkonferenzen publiziert. Ein herz-licher Dank für die enge und konstruktive Zusammenarbeit

geht an Dr. Ralf Kemme und Dipl.-Ing. Martin Wandel.

Vibroakustische Simulation für den Kabinenkomfort

Darin bezeichnen K, C und M die Steifigkeits-, Dämpfungs- und Massenmatrizen sowie A die Fluid-Struktur-Koppel-matrix. Die Vektoren v und p enthalten die gesuchten Knotenwerte für Strukturschnellen und Schalldruck. Auf der rechten Seite bezeichnet r die komplexen Amplituden von Schallquellen bei harmonischer Erregung mit einer Be-triebsfrequenz ω. Die Indizes s und f stehen für „Struktur“ bzw. „Fluid“, der Faktor i bezeichnet die imaginäre Einheit und das hochgestellte T die Matrix-Transposition.

Schallquellen können sowohl in der Luft (als Quellstärke eines Strahlers) als auch auf der Struktur (als Kraft- oder Wegan-regung) aufgebracht werden. Die Bilder illustrieren beispiel-

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Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Ihlenburg

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Durch die im Vergleich zum Automobilbau sehr viel längeren Lebenszyklen im Flugzeugbau kön‑nen größere Neuerungen nur in größeren Zeit‑intervallen realisiert werden. Dies bedingt die

gleichzeitige Berücksichtigung neuer Werkstoffe, Techno‑logien, Designanforderungen, Konstruktionstechniken und Fertigungsverfahren sowie geänderter organisatorischer Abläufe unter hohen ökologischen und ökonomischen An‑forderungen. Verbunden mit der Globalisierung tritt außer‑dem eine erhöhte Komplexität hinzu. In der Konsequenz müssen die Menschen ein gewaltig anschwellendes neues Wissen bewältigen.

Seit 2003 wird im Produktionsmanagement im Auftrag der Fakultät Technik und Informatik der HAW und von Airbus an Forschungsthemen in diesem Umfeld gearbeitet. Im

Fokus standen dabei die Prozesse in Entwicklung und Pro‑duktion im Hinblick auf Kundenflexibilität. Konzepte wie das Customer Gating (IMC22; 22nd International Manu‑facturing Conference) oder die Optimierung des Kunden‑entkopplungspunkts im Rahmen der Umstellung auf durch‑gängige 3‑D‑Konstruktionsprozesse (IMC24) wurden auf internationalen Tagungen vorgestellt.

2008 haben neue Technologien für die Bearbeitung von CFK, organisatorische Ausrichtungen auf die Bauteilerstel‑lung und eine drastische Zunahme des Outsourcings das Thema des Wissensmanagements in den Fokus gerückt. Hierzu wurde das Forschungsprojekt NAWIFLUG (nachhal‑tiges Wissensmanagement im Flugzeugbau) eingerichtet.

Die Arbeiten fanden in Studierendenteams in direkter Zu‑sammenarbeit mit Airbus‑Fachabteilungen statt. Unter anderem wurde ein Leitfaden mit Wissensmanagement‑modellen nach Probst und nach Nonaka und Takeuchi ent‑wickelt.

Auf der IMC26 am Trinity College in Dublin konnte das „Modell der 9 Schritte zum nachhaltigen Wissensmanage‑ment“ präsentiert werden, das Lernaspekte, Risikoreduzie‑rung in Organisationen und Ideen zum Umgang mit „The Unknown Knowledge“ integriert. Auf der IMC28 wurde eine Master‑Arbeit vorgestellt, die diese Ideen im Hinblick auf den Umgang mit großen Informationsmengen erwei‑tert und internationale Besonderheiten beim Umgang mit Wissensmanagement, z. B. in China, untersucht.

In der Arbeit mit dem Digihap‑Konzept wurde die Schnitt‑stelle zwischen Mensch und Automat als Ansatzpunkt für weitere Optimierungen erkannt und zur Lösung das Kon‑zept der CoBots (Cooperating Robots) aufgegriffen. Die neuen Technologien ermöglichen schnelleres, mobiles und flexibleres Agieren im Produktionsumfeld, wenn durch Op‑timierung oder neue Produkte Veränderungen eintreten, und entlastet dabei auch den Mitarbeiter. Einer wand‑lungsfähigen, dynamischen Produktion ist damit der Weg geöffnet.

Natural Lean Management und die dynamische FabrikDer Umsetzung von Maßnahmen in der Produktion steht oft ein hoher zeitlicher und budgetärer Aufwand gegen‑über. Ferner erschweren Regularien zur Qualitätsabsiche‑rung in der Luftfahrt die Umsetzung und behindern die Ein‑bringung neuer Ideen insbesondere auf Mitarbeiterebene.

Mit dem Ansatz des Natural Lean Management soll Intui‑tivität und Motivation bei der Ideeneinbringung gefördert werden. 3‑D‑Kamera, Tablet und Joystick in Verbindung mit klassischer Tastatur dienen dabei als kreative Kommunika‑tionshilfsmittel. Ziel ist, Eigenverantwortung und Identifika‑tion im Produktionsumfeld zu erhöhen. Die Forschungen führen darüber hinaus zu Konzepten einer dynamischen Fabrik als Weiterentwicklung des Digihap‑Konzepts mit konsequenter Ausrichtung auf Wertschöpfung im Einklang mit ökonomischen und ökologischen Zielen.

NAWIFLUG

Digihap und CoBots im Projekt NAWIFLUGDie Prozessoptimierungs‑ und Wissensmodellierungen im Projekt NAWIFLUG hatten als Blockaden bzw. Ursachen für Fehler unter anderem eine teilweise unzureichende Kom‑munikation identifiziert – eine rein digitale Modellierung der Prozesse genügte den Anforderungen nicht. Mit dem Ziel, möglichst alle menschlichen Sinne zur Problemlösung zu nutzen, wurde daraufhin das Konzept Digihap (Digitale und haptische Simulation von Prozessen) entwickelt.

Die drei Hauptelemente des Konzepts sind die digitale dy‑namische Modellierung, Miniaturprodukt‑ und ‑produkti‑onsmodelle sowie Kommunikationsbaukästen.

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Prof. Dr.-Ing. Randolf Isenberg

randolf.isenberg@haw‑hamburg.de

Nachhaltiges Wissensmanagement im Flugzeugbau

Die Dynamik technischer Systeme bedingt die Entstehung und Ausbreitung von Luft- und Körperschall, deren Wirkungen auf Menschen und Maschinen vornehmlich mithilfe passiver

Maßnahmen begrenzt werden. Um die Leistungsfähigkeit einer Schwingungsisolation, die Massenkraftkompensa-tion eines Tilgersystems oder die Energiedissipation eines Dämpfers aber optimal an variierende Signal- und/oder Systemeigenschaften anpassen zu können, ist es vielfach notwendig, passive Maßnahmen durch aktive Schall- und Schwingungsregelungen zu unterstützen oder gänzlich durch diese zu ersetzen. Das vielen Anwendungen zu-grunde liegende Prinzip der destruktiven Interferenz wird heute in Aktivschalldämpfern, in Antischallkopfhörern oder in aktiven Triebwerksaufhängungen und auch zur aktiven Schallreduktion in Propellerflugzeugen eingesetzt.

Je nachdem ob die kinetische Energie oder die Schallab-strahlung schwingender Strukturen oder die potenzielle akustische Energie im Fluid reduziert werden soll, kommen die Verfahren Active Vibration Control (AVC), Active Struc-tural Acoustic Control (ASAC) bzw. Active Noise Control (ANC) in Form mechatronischer oder adaptronischer Sys-teme zum Einsatz. Dies erfordert zunächst das Detektieren von Stör- und – sofern möglich – Referenzsignalen mithilfe reeller oder virtueller Sensoren sowie ihre Analyse und Ver-rechnung im Rahmen einer meist digitalen (und vielfach ad-aptiven) Signalverarbeitung. Die berechneten Stellgrößen sind schließlich durch, in ausreichender Zahl installierte, geeignete Aktorik an optimierten Positionen aufzubringen, wobei im Falle der Adaptronik die Aktorik in die schwingen-de Struktur integriert ist.

Im Bild auf S. 27 wird der Informationsfluss innerhalb aktiver Systeme am Beispiel der aktiven Schallreduktion dargestellt. Aus der dort dargestellten typischen Struktur mechatroni-scher Systeme ergibt sich die Notwendigkeit zur Anwen-dung einer domänenübergreifenden Entwurfsmethodik un-ter besonderer Berücksichtigung folgender Fachdisziplinen:• Strukturdynamik und technische Akustik (Basic System),• mechanische und elektrische Messtechnik (Actuator and

Sensor Technologies),• (digitale) Signalverarbeitung (Information Processing).

Im Entwurf kann entsprechend VDI-Richtlinie 2206 nach dem sogenannten V-Modell (Bild oben) vorgegangen wer-den. Hierzu ist es zunächst erforderlich, die Anforderungen an das spätere Produkt (z. B. eine Senkung des Schalldruck-pegels um 6 dB) zu spezifizieren. Davon ausgehend ist ein domänenübergeifendes Lösungskonzept zu erarbeiten. Hierbei gilt es, • die Aufgabenstellung zu abstrahieren, um wesentliche

Probleme zu erkennen,• zur Erfüllung von Gesamt- und Teilfunktionen benötigte

Funktionsstrukturen zur konzipieren,• Wirkprinzipien der Teilfunktionen zu erkennen und Lö-

sungen zu finden,• prinzipielle Lösungsvarianten zu konkretisieren, zu be-

werten und geeignete Lösungen auszuwählen.

Im Rahmen des domänenspezifischen Entwurfes erfolgt die weitere Konkretisierung des gemeinsam entwickelten Lösungskonzepts. Typische und vielfach separat lösbare Aufgaben im Hinblick auf Systeme zur aktiven Schall- und Schwingungsregelung sind:

der Gesamtlösung erfolgen in der Systemintegration. In diesem Prozess ist stets zu überprüfen, ob das entstehen-de Produkt die gewünschten Anforderungen erfüllt. Der Entwurf mechatronischer Systeme wird durch die Bildung und Analyse von Modellen mithilfe numerischer und expe-rimenteller Methoden unterstützt. Im Rahmen der Entwick-lung aktiver Systeme zur Schall- und Schwingungsregelung werden hierfür folgende Techniken angewandt:• in den Bereichen Strukturdynamik und technische Akus-

tik sowie mechanische und elektrische Messtechnik - die numerische Feldberechnung (Finite-Elemente-Me-thode, Randelementemethode, statistische Energie-analyse),

- die experimentelle Strukturanalyse (Modalanalyse, Be-triebsschwingformanalyse),

- die Schallfeldanalyse (Schalldruck- und Schallleistungs-messungen, akustische Holografie, (inverse) Transfer-pfadanalysen),

• im Bereich (digitale) Signalverarbeitung - die Signalanalyse mittels linearer Prädiktion oder Kor-relation,

- die Systemidentifikation mit adaptiven Filtern, - die objektorientierte Simulation von Regelungen sowie - das Rapid Control Prototyping.

Diese im Lehrgebiet Adaptronik und Strukturdynamik vor-handenen Expertisen werden im Rahmen der angewand-ten Forschung zur Bearbeitung von Fragestellungen des

Maschinenbaus sowie der Luftfahrt- und Fahrzeug-technik eingebracht.

• in den Bereichen Strukturdynamik und technische Akus-tik die Signal- und Systemanalyse am Grundsystem,

• in den Bereichen mechanische und elektrische Messtech-nik die Auslegung geeigneter Sensoren (Wandlerprinzip, Messbereich, Empfindlichkeit usw.) und Aktoren (Wand-lerprinzip, Leistungsaufnahme und -abgabe, Baugröße usw.),

• im Bereich (digitale) Signalverarbeitung der Entwurf des Regelungskonzepts (adaptiv/nicht adaptiv, Steuerung/Regelung, zentral/dezentral usw.).

Das Zusammenführen von Teillösungen, das Erkennen und Eliminieren von Unverträglichkeiten und die Optimierung

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Gegenüberliegende Seite: Vorgehensweise nach dem V-Modell Oben: Struktur eines Systems zur aktiven Lärmminderung in der Flugzeugkabine

Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Kletschkowski

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Aktive Systeme zur Schall- und Schwingungsregelung

Das Labor für Kabine und Kabinensysteme (KKS-Labor) ist organisatorisch dem Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau der HAW Hamburg zugeordnet. Studierende des Studien-

schwerpunkts Kabine und Kabinensysteme vertiefen hier ihr in den Vorlesungen erworbenes theoretisches Wissen durch Anschauung und in Laborversuchen oder bearbeiten an den Versuchsständen ein größeres Projekt im Rahmen einer Studien-, Bachelor- oder Master-Arbeit. Die hochwer-tige Laborausstattung ermöglicht darüber hinaus Auftrags-untersuchungen für kleine und mittelständische Unterneh-men und die Durchführung von Forschungsprojekten.

Das KKS-Labor befindet sich in Hamburg-Borgfelde auf dem Gelände der Gewerbeschule für Fertigungs- und Flugzeugtechnik G15 und ist Teil des Hamburg Centre of Aviation Training (HCAT). Das HCAT führt schulische, be-triebliche und akademische Aus- und Weiterbildung, Aus-bildungsprogramme der HAW Hamburg und der G15 sowie der Unternehmen Airbus Operations GmbH und Lufthansa Technik AG zu einer Lernortkooperation zusammen, die europaweit bisher einmalig ist. Im Fokus stehen die Tech-nologiefelder Avionik, Fertigungs- und Reparaturverfahren für Werkstoffe aus Metall und faserverstärkten Kunststof-fen sowie Kabine und Kabinensysteme. Die Partner nutzen die Schulungs- und Laborausstattung gemeinsam. Profes-soren, Berufsschullehrer und Ausbilder arbeiten zusammen und tauschen sich aus. So werden die Einrichtungen des HCAT optimal genutzt und die Curricula optimal aufeinan-der abgestimmt.

Das HCAT besitzt eine Gesamtnutzfläche von 2400 m². Etwa die Hälfte der Fläche nimmt das KKS-Labor ein. Ne-ben Büroräumen, einem Computerraum und einem Semi-narraum sind in dem Hallenbereich (Bild oben) zahlreiche Mock-ups und Kabinensystemprüfstände errichtet worden.

Cockpit und Crew Rest Compartment – Human-Factors-Plattform für Ergonomie und Design

Das Mock-up des Cockpits einer Fairchild Dornier 728 re-präsentiert das moderne Konzept im Bereich der Single- Aisle-Passagierflugzeuge. Inhalt von Lehre und Forschung ist die optimale Gestaltung der komplexen Mensch-Maschi-ne-Schnittstelle eines Cockpits, die unter anderem Ergono-mie-, Beleuchtungs- und Klimakonzepte umfasst. Ähnliche Fragestellungen werden in dem Mock-up des Crew Rest Compartment eines Airbus A350 untersucht.

Zylindrisches Rumpfsegment – Plattform für Kabinen- und Systemarchitektur

Das Mock-up der hinteren Kabine eines Airbus A319 (Bild S. 29) ist die Plattform für die Integration verschiedener Kabinenkomponenten in einer realistischen Umgebung. Hierzu zählen z. B. Sitze, das Lining „from floor to floor“ mit Hatracks und Passenger Service Units, Lavatories (Flug-zeugtoiletten) und Galleys (Bordküchen). Integriert sind die relevanten strömungsmechanischen und elektrischen Sys-teme: das Cabin Management System CIDS, das Lichtsys-tem und das Luftverteilungssystem.

Im KKS-Labor werden außerdem Systemdemonstratoren für das Sauerstoffsystem und das Wasser-Abwasser-Sys-tem errichtet. Bei allen Systemdemonstratoren wird die elektrische Systemumgebung entweder durch reale Kom-ponenten oder durch Simulation dargestellt. Durch die Vernetzung der Einzelprüfstände wird die Integration der einzelnen Systeme in der Umgebung einer vollständigen Flugzeugkabine simuliert.

Ausstellungs- und PräsentationsbereichEin Bereich der Hallen ist bestuhlt und mit Konferenztech-nik ausgestattet. Im Ambiente einer modernen Luftwerft kommen Studierende und Professoren, Auszubildende und Lehrer, Ingenieure und Ausbilder zusammen, um zu disku-tieren, Wissen aufzunehmen und weiterzugeben, Neues zu sehen und Neues zu erfahren.

Die Ausstattung des KKS-Labors wird aus Mitteln des Spit-zenclusterwettbewerbs des Bundesministeriums für Bil-dung und Forschung gefördert.

Labor für Kabine und Kabinensysteme

KKS

Widebody-Rumpfsegment – Plattform für den Unterflur-bereich und den Frachtbetrieb

Das Rumpfsegment eines Airbus A300 wird mit einem funk-tionsfähigen Frachtladesystem ausgestattet. Hierzu zählen das Frachtraum-Lining, die Integration mechanischer und elektrischer Systeme sowie die Bilge einschließlich eines Drain-Masts.

Akustik-Klima-Kammer mit einem Standardrumpf – Platt-form für die Simulation thermischer und akustischen Ka-binenbedingungen am Boden

Eine klimatisierte Flugzeugkabinensektion befindet sich in einer Klimakammer, in der Temperaturen von –30 °C bis +50 °C erzeugt werden können. Zugleich dient die Klima-kammer als Hallkammer für akustische Messungen. Unter-sucht werden z. B. thermische und akustische Kabineniso-lationseigenschaften.

Systemdemonstrator Remote ChillerDas Remote-Chiller-System wird z. B. beim Airbus A340 zur Kühlung von Trolleys (Servierwagen), die in Galleys abgestellt werden, eingesetzt. Es besteht aus einer Kom-pressionskältemaschine, einer Fernübertragung der Kühl-leistung durch einen speziellen Flüssigkeitskreislauf sowie einer Luftkühleinheit. Eine Klimakammer sorgt für das ge-wünschte klimatische Umfeld.

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Gegenüberliegende Seite: Hallenbereich des KKS-Labors mit Airbus-A300-Rumpfsegment Oben: Mock-up eines Airbus A319: Plattform für die Integration von Kabinenkomponenten

Prof. Dr.-Ing. Gordon KoniecznyLeiter Labor für Kabine und Kabinensysteme

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Das Projekt PROTEG – Cockpit Thermal Comfort for Future Aircraft

Die Entwicklungsbereiche im modernen Flugzeugbau der Zivilluftfahrt umfassen längst nicht mehr nur die klassischen Schwerpunkte wie Aerodynamik oder Strukturentwicklung, immer stärker wird auch die Passagierkabine einbezogen. Dies ist nicht zuletzt auf das Bestreben der Airlines zurück‑zuführen, sich von Konkurrenten zu unterscheiden und das eigene Produkt individueller zu gestalten.

Ein wichtiger Aspekt ist hierbei die Sicherheit. Sie ist auch von der Fitness der Piloten abhängig, die wiederum ein Faktor der Auftretenswahrscheinlichkeit menschlicher Feh‑ler mit unter Umständen gravierenden Konsequenzen ist. Die zahlreichen hier zu berücksichtigenden Randbedingun‑gen werden unter dem Begriff der Human Factors (HF) zu‑sammengefasst.

Im Fundamental Human Factors Concepts (ehemals ICAO Digest No. 1) der britischen Civil Aviation Authority wird hierfür das SHEL Model (Software, Hardware, Environment, Liveware) zugrunde gelegt, das sehr detailliert u. a. die Schnittstellen des Menschen zu seinem Arbeitsumfeld (hier Cockpit, Kabine usw.) erfasst.

Mit Blick auf das Arbeitsumfeld von Cockpitbesatzungen wurde das Augenmerk vor allem auf den sicheren Betrieb von Flugzeugen gelegt. Dies ist z. B. an der Optimierung und Verbesserung von standardisierten Betriebspraktiken (SOPs: Standard Operating Procedures) und des Crew Re‑source Managements erkennbar.

Eine in diesem Zusammenhang häufig aufgeworfene Frage ist, inwiefern durch eine Veränderung der Cockpitklimati‑sierung Möglichkeiten gegeben sind, das Arbeitsumfeld im Cockpit zu verbessern und die Fitness und die Leistungs‑fähigkeit der Besatzung zu unterstützen bzw. zu steigern. Das Projekt PROTEG untersucht im Rahmen des vierten zivi‑len Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo IV‑3) diesbezüglich die thermischen Bedingungen im Cockpit. Die HAW Ham‑burg steuert hierzu die Situationsanalyse sowie die Erstel‑lung und die Erprobung einer Methodik zur Einschätzung und Bewertung des thermischen Umfelds im Cockpit bei.

Zunächst soll ermittelt werden, welche Eigenschaften und Orte des Cockpits aus Sicht der Flugzeugführer hinsichtlich des Strömungsverhaltens, der Temperatur und der Feuch‑te der Luft einer Überarbeitung bedürfen. Eine ergänzende Maßnahme zur Verbesserung des Gesamtkomforts könnte hier die Übernahme von Technologien aus der Automobil‑industrie sein.

Im Fraunhofer‑Institut für Bauphysik (IBP) in Valley soll die entwickelte und im Rahmen der Situationsanalyse erprobte Methodik in einem geänderten Cockpitumfeld angewen‑det werden. Ein Teil dieser Veränderungen im Cockpit be‑ruht auf den Ergebnissen der Situationsanalyse der HAW Hamburg. Ziel ist, die Szenarien vor und nach der Ände‑rung zu vergleichen.

Die folgenden Arbeitsinhalte waren bzw. sind von der HAW Hamburg für die Jahre 2010 und 2012 im Rahmen des Pro‑jekts geplant:

Hierzu soll in dem Teilprojekt der HAW Hamburg der in durchgeführten Konsultationen aufgeworfene Aspekt ver‑schmutzter Klimarohre – eine signifikante Erscheinung im Betrieb von Flugzeugen – untersucht werden. Im Vorder‑grund steht die Ermittlung der Quellen der Verschmutzun‑gen und die Entwicklung grundlegender Konzepte zur Ver‑meidung dieser Verschmutzungen.

Verschmutzte Klimarohre haben unterschiedliche negative Auswirkungen:• Erhöhung der Masse des Flugzeugs• Beeinträchtigung der Flugzeugklimatisierung• Erhöhung der benötigten Leistung der Klimaanlage• Reduzierung des Wirkungsgrads der Klimaanlage• Erhöhung des Wartungs‑ und Reinigungsaufwands• negative Wahrnehmung durch die Flugzeugnutzer und

‑betreiber

Die genannten Auswirkungen resultieren in erhöhten di‑rekten Betriebskosten der Flugzeugkabine und können bei ungeschickter Kommunikation die Einstellung zum Fliegen und die Neigung zum Antritt einer Flugreise nachteilig be‑einflussen.

Als Ergebnis wird ein Bericht zum gegenwärtigen Wissens‑stand über Verschmutzungen in Klimarohren und zu den stofflichen Bestandteilen der Verschmutzungen mit einer Abschätzung der maßgeblichen Ursachen der Verschmut‑zungen und grundlegenden Möglichkeiten ihrer Vermei‑dung vorgelegt.

PROTEG & DIANA

Arbeitsinhalte 2010:• Bestimmung des thermischen Arbeitsumfelds in Cock‑

pits durch ‑ Auswertung, Vergleich und Bewertung der Daten und

Informationen, ‑ Ableitung möglicher Felder und Richtungen für Ver‑

besserungen sowie ‑ Entwicklung einer Bewertungsmethodik und Anwen‑

dung der Methodik auf ein Referenzumfeld in einem Cockpit

Arbeitsinhalte 2012:• Anwendung der Bewertungsmethodik auf das geänder‑

te thermische Cockpitumfeld einschließlich eines Ver‑gleiches der Szenarien vor und nach der Änderung

Projekt DIANA – Technologien für eine energieautarke, intelligente Kabine

In diesem Projekt im Rahmen des vierten zivilen Luftfahrt‑forschungsprogramms (LuFo IV‑3) sollen die für eine ener‑gieeffiziente, intelligente Flugzeugkabine wesentlichen Einflussgrößen untersucht werden. Übergeordnetes Ziel ist, die direkten Betriebskosten (DOC) für die Flugzeugkabine zu optimieren.

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Prof. Dr.-Ing. Gordon KoniecznyLeiter Labor für Kabine und Kabinensysteme

gordon.konieczny@haw‑hamburg.de

Seit vielen Jahren nimmt das Verkehrsaufkommen deutlich zu. Der Flugverkehr ist der am stärksten wachsende Verkehrssektor. Aktuelle Prognosen gehen bis zum Jahr 2020 von einem durchschnitt-

lichen jährlichen Wachstum von 6–7 % der Luftfrachtkilo-meter und von 4–6 % der Passagierkilometer aus. Daraus erwachsen ökologische wie gesellschaftliche Anforderun-gen, die mit den heutigen Verkehrsträgern nicht bewältigt werden können. Es sind zukunftsfähige, nachhaltige Mo-bilitätslösungen erforderlich, die u. a. auf der Basis neuer Technologien erarbeitet werden müssen. Eine Schlüssel-technologie ist hierbei der Leichtbau, insbesondere mit dem Faserverbundkunststoff CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff). Der Trend hin zur CFK-Technologie zeichnet sich in der zivilen Luftfahrt mit den Flugzeugfamilien A380 und A350 XWB von Airbus und der Boeing 787, die ei-nen signifikant gestiegenen Anteil von FVK (Faserverbund-kunststoffen) aufweisen, deutlich ab. Aufgrund der ab-sehbaren Zunahme von CFK-Technologien in zukünftigen Flugzeugen beschäftigen wir uns intensiv mit der Erfor-schung von Simulationsmethoden unter anderem für die Verarbeitung von FVK.

Prozesssimulation der Drapierung von textilen Halbzeugen

Wenn ein zunehmender Anteil von CFK-Bauteilen in immer mehr Flugzeugen Verwendung findet, so erfordert dies eine Produktion in großen Stückzahlen bei konkurrenzfähi-gen Kosten. Daraus resultieren hohe Anforderungen an die eingesetzten Produktionstechnologien und -prozesse, die heute lediglich bedingt erfüllt werden. Niedrige Produkti-onskosten und Taktzeiten von ca. 2 min sind jedoch nur mit

einer stark automatisierten Herstellungskette zu erzielen. Große Potenziale zur Etablierung von konkurrenzfähigen FVK-Produktionsprozessen weisen hier textile Verarbei-tungstechnologien auf, da sie in ihren angestammten An-wendungsgebieten hochproduktiv sind und einen Transfer auf großserientaugliche FVK-Technologien erlauben. Zu-dem ist ein lastpfadgerechter Aufbau der Strukturelemente möglich und damit das Potenzial zur Ausschöpfung eines hohen Leichtbaugrads gegeben. Diese Verarbeitungs-technologien basieren auf dem Zuschneiden von trocke-nen Halbzeugen wie Gelegen oder Geweben sowie dem Drapieren dieser Halbzeuge in die Werkzeugform, in der häufig auch die Infiltration und Aushärtung stattfindet.

Eine besondere Herausforderung in einem solchen Her-stellungsprozess stellt das Umformen bzw. die Drapie-rung der trockenen Halbzeuge dar. Ziel ist es, an jeder Stelle des Bauteils die Faserstränge mit der gewünschten Ausrichtung ohne Faltenbildung zu positionieren. Für Ge-webe existieren Modelle, die in kommerziell verfügbaren Simulationswerkzeugen implementiert sind. Gelege hin-gegen besitzen ein deutlich komplexeres Drapierverhal-ten, weil dieses u. a. von der Wahl des Abbindemusters des Wirkfadens abhängt und Gelege gewöhnlich eine stärkere Anisotropie aufweisen. Für diese Materialien fehlen angemessene Simulationsmodelle und -prozesse. Hier setzt unsere Forschung an. Sie umfasst die experi-mentelle Kennwertermittlung (von der Faser- bis hin zur Halbzeugcharakterisierung) – insbesondere von Gelegen – und die korrespondierende Modellentwicklung für die Drapiersimulation.

zum Versagen der Struktur führen. Eine genaue Vorhersage des Knitterns ist somit für die Entwicklung von verlässlichen Sandwichstrukturen von besonderer Bedeutung.

Wir befassen uns daher mit der Entwicklung von finiten Sandwichelementen, mit denen die relevanten Phänome-ne berechnet werden können. Sie weisen u. a. bei gleicher Genauigkeit eine gegenüber herkömmlichen Formulierun-gen um 50 % geringere Anzahl von Freiheitsgraden auf. Es handelt sich um semianalytische Ansätze für das Ver-formungsfeld im Kern, die in erster Linie die Freiheitsgrade der Deckschichten nutzen, aber dennoch ein komplexes Spannungsfeld im Kern beschreiben können. Diese Ele-mente sind zudem geeignet, Spannungsüberhöhungen im Bereich von Krafteinleitungen oder Diskontinuitäten mit ei-ner geringen Anzahl von Freiheitsgraden zu beschreiben. Zum Teil ist es möglich, stark abklingende Größen im Kern wie Schälspannungen mit nur zwei bis drei Elementen zu berechnen (Bild oben).

Simulation von Faserver-bundwerkstoffen

Strukturmechanische Berechnung am Beispiel SandwichEines der in der Luftfahrt eingesetzten Strukturkonzepte ist die Sandwichbauweise. Sandwichstrukturen sind Verbund-konstruktionen, die in strukturellen Anwendungen aus ei-nem relativ dicken und leichten Kernwerkstoff bestehen, der zwei steife Deckschichten hoher Festigkeit (häufig CFK) auf Distanz hält. Dadurch werden hohe Biegesteifigkeiten und -festigkeiten bei zugleich geringem Gewicht erzielt. Problematisch bei Sandwichbauteilen ist jedoch, dass sie durch das Ausbeulen einer oder beider Deckschichten ver-sagen können, ein Effekt, der als Knittern bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um Instabilitätsphänomene, die in der Regel zu einem schlagartigen Steifigkeitsverlust und damit

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Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Markus Linke

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Gegenüberliegende Seite: Frostig, Y.; Baruch, M.; Vilnay, O.; Sheinman, I.: High-Order Theory for Sandwich-Beam Behavior with Transversely Flexible Core. In: Journal of Engineering Mechanics 118 (1992), Nr. 5, S. 1026–1043 Oben: Spannungen im Kern eines Sandwichs im 3-Punkt-Biegeversuch

Um den zukünftigen Anforderungen an die zivile Luftfahrt – steigende Passagierzahlen, deutlich zu reduzierende CO

2-Emissionen, komfortable-

res Fliegen und kürzere Reisezeiten – gerecht zu werden, arbeiten Studierende der HAW Hamburg im Rah-men des Projekts BWB AC20.30 an einem Konzept für das Flugzeug und das Fliegen der Zukunft.

Sie können dabei die erlernten Inhalte des Bachelor- und Master-Studiengangs Flugzeugbau praxisnah anwenden und vertiefen sowie insbesondere durch die interdisziplinä-re Zusammenarbeit mit hochschulinternen und -externen Projektpartnern wertvolle Erfahrungen für den späteren Beruf sammeln.

Basis der Untersuchungen bildet die Flugzeugkonfigurati-on eines Blended-Wing-Bodys (BWB), bei der der Rumpf des Flugzeugs in die Flügel integriert ist. In einer solchen Konstruktion besitzt der Rumpf dem Flügel vergleichbare Eigenschaften, z. B. hinsichtlich des Auftriebs, sodass der Treibstoffverbrauch gesenkt werden kann.

Ein solches Konzept wurde mit dem Flugzeugmodell AC20.30 umgesetzt. Sämtliche Arbeiten wie

Konstruktion am Computer, Ferti-gung, Systemintegration und

Flugversuch werden von den Studierenden selbstständig

geplant und durchgeführt.

Schwerpunkte des Projekts sind derzeit die Flugerpro-bung und die Kabinengestaltung. Parallel hierzu wird das

Modell weiterentwickelt und es werden Fragestellungen zum Betrieb eines Flugzeugs von übermorgen bearbeitet. Unterstützung erfährt das Projekt BWB AC20.30 durch die aktive Betreuung studentischer Arbeiten von Professoren, durch die HAW Hamburg sowie durch externe Förderer.

Die Arbeitsergebnisse werden vom BWB-Team regelmäßig auf Messen, in Zeitschriften und im Internet vorgestellt.

Flugerprobung mit dem Modell AC20.30An einem vom BWB-Team aus Glasfaserverbundwerkstoff im Maßstab 1 : 30 gefertigten ferngesteuerten Modell wer-den die Flugeigenschaften einer Blended-Wing-Body-Kon-figuration untersucht (Bild S. 35).

Das Modell wird mit einem 2,4-GHz-Fernsteuerungssystem von einem erfahrenen Modellbaupiloten gesteuert. Der An-trieb erfolgt über zwei Elektroimpeller, die von einem Lithi-um-Polymer-Akkumulator versorgt werden. Zur Aufnahme und späteren Auswertung der wichtigsten Flugparameter ist das Modell mit einem umfangreichen Mess- und Steue-rungssystem ausgestattet.

Technische Daten – Modell AC20.30Maßstab: 1 : 30Spannweite: 3,24 mLänge: 2,12 mStartmasse: 23 kgStandschub: 2 × 91 NAkkumulatoren: 6 × 3S LiPoFernsteuerung: Spektrum

ungleichmäßigen Formverläufe Probleme, das vorhandene Raumvolumen auf dieselbe Weise wie bisher zu nutzen. Andererseits eröffnen die Abmessungen des Flugzeugs und die gegenüber jetzigen Konstruktionen erheblich größere Kabinenbreite neue Möglichkeiten für Kabinenelemente und -räume. Um eine Druckkabine bei mindestens glei-chem Komfort wie bisher zu realisieren, sind allerdings auf-wendige strukturelle Maßnahmen erforderlich.

Die Passagiere werden die Kabine vollkommen neu erle-ben. Hierzu trägt der Einsatz neuer Technologien, z. B. von hochauflösenden Displays neben und über dem Passagier und farblicher Beleuchtung zur Simulation der äußeren Um-gebung, bei. Auch das Fliegen selbst wird sich anders als bisher anfühlen. Da die Sitzplätze nicht mehr nur bis zu 3 m, sondern bis nahezu 30 m von der Längsachse entfernt sein können, treten deutlich höhere Beschleunigungskräfte auf.

Eine Kabinenauslegung des AC20.30 ist im Bild auf S. 34 unten dargestellt. Um zu ermitteln, wie viele Passagiere der AC20.30 tatsächlich unter Erfüllung der geltenden Evakuie-rungsanforderungen aufnehmen kann, wurde hierbei aus-schließlich mit Sitzen der Economyklasse geplant.

Das studentische Projekt AC20.30

BWB

Technische Daten – FlugdatenloggerAufzeichnungsrate: 100 HzAufzeichnung aller SteuersignaleSensoren:• GPS (Höhe, Position, Geschwindigkeit)• Luftdatensonde (Geschwindigkeit, Höhe,

Temperatur, Anstellwinkel, Schiebewinkel)• Beschleunigungssensor in drei Achsen

Kabinengestaltung des AC20.30Eine besondere Herausforderung stellt die Auslegung der Flugzeugkabine des AC20.30 dar. Einerseits entstehen durch die zwar aerodynamisch hervorragenden, jedoch

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Prof. Dr.-Ing. Thomas NetzelLeiter Forschung CCNF

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Das Aerodynamik-Labor umfasst einen großen Windkanal Göttinger Bauart, einen kleinen Windkanal vom Eifel-Typ, einen Kavitations-tunnel, einen kleinen Überschallwindkanal und

einen Rohrleitungsmessstand sowie die zugehörigen Mes-seinrichtungen nebst einer programmierbaren Traversie-rung. Ein kleiner Werkzeugmaschinenpark rundet die Aus-stattung ab.

Der große Windkanal Göttinger Bauart (Bild unten) kann wahlweise für Untersuchungen mit offener oder geschlos-sene Messstrecke eingesetzt werden, wobei die geschlos-sene Messstrecke einen achteckigen Querschnitt aufweist (Bild oben). Der Kanal kann auch für neue Messaufga-ben in der instationären Aerodynamik und der Aeroelas-tik eingesetzt werden. Es werden Geschwindigkeiten von

ca. 110 km/h bei einem Düsenaustrittsdurchmesser von 1 m erzielt.

Der kleine Windkanal verfügt über eine Düse mit ellipti-schem Austrittsquerschnitt mit den Radien 0,25 m und 0,35 m. Mit diesem Kanal können Geschwindigkeiten von ca. 120 km/h erzielt werden (Bild S. 37 oben links).

Beide Windkanäle sind mit einer modernen Strömungsmess-technik ausgestattet. Diese besteht aus einer 6-Komponen-ten-Windkanalwaage, einem Druckmesssystem mit 96 Mess-kanälen, diversen Drucksonden und Druckmessgeräten, einem Hitzdrahtanemometer sowie einem Laser-Doppler-Anemometer. Aufgrund der offenen bzw. geschlossenen Messstrecke des großen Windkanals können unterschied-liche Techniken zur Strömungsfeldmessung eingesetzt wer-den. Für die Untersuchung aeroelastischer Phänomene steht ein Messsystem für die Modalanalyse zur Verfügung.

Der über eine Stickstoffgasflasche betriebene Überschall-windkanal (Bild S. 37 oben rechts), dient der Visualisierung von Verdichtungsstößen an verschieden profilierten Strö-mungskörpern.

Der Kavitationstunnel wird vornehmlich zur Strömungsvi-sualisierung mithilfe eingebrachter Farbstoffe verwendet.

Der ebenfalls im Aerodynamik-Labor installierte Rohrlei-tungsmessstand dient zur Darstellung und Bestimmung von Rohrreibungszahlen und Verlustzahlen an Rohreinbau-ten und Umlenkungen. Hierfür können unterschiedliche Rohrleitungen mit und ohne Rauigkeit sowie unterschiedli-

Bumerang. Darüber hinaus wird insbesondere der große Windkanal in FuE-Projekten eingesetzt, z. B. bei der Unter-suchung neuer, strömungsgünstigerer Rumpfformen.

2008 wurde mit dem Aufbau eines „virtuellen Strömungs-labors“, also der computerbasierten Strömungssimulation, begonnen. Kenntnisse in diesem Bereich werden sowohl von den Studierenden als auch von der einschlägigen Indus-trie stark nachgefragt. Das zur erfolgreichen Anwendung dieser Methoden erforderliche Wissen wird in der Master-Lehrveranstaltung Strömungssimulation (CFD: Computati-onal Fluid Dynamics) vermittelt. Das virtuelle Strömungsla-bor besteht aus vernetzten Parallelhochleistungsrechnern, auf denen Strömungssimulationen im Rahmen von Projekt- und Abschlussarbeiten auf hohem Niveau durchgeführt werden können. Die Anbindung an den Rechnerpool des Departments Maschinenbau und Produktion erlaubt auch sehr umfangreiche Simulationen durch Parallelisierung auf einem Rechnercluster. Eingesetzt wird die branchenübliche CFD-Software ANSYS/Fluent.

Im Aerodynamik-Labor sind ein wissenschaftlicher Mitar-beiter und eine technische Angestellte tätig.

Aerodynamik-Labor

che Umlenkungen und Einbauten kombiniert werden.Neben dem Einsatz des Labors im Rahmen von Lehrver-anstaltungen werden beide Windkanäle für Projekt-, Ba-chelor- und Master-Arbeiten verwendet. Dabei werden regelmäßig flug- und auch fahrzeugtypische Aufgabenstel-lungen bearbeitet, wie z. B. die Untersuchung der Aerody-namik unterschiedlicher Rumpfformen und verschiedener Tragflügelkonfigurationen durch Druck- und Kraftmessun-gen sowie durch Farbanstrichuntersuchungen. Aber auch andere Fragestellungen werden in studentischen Projekten und Arbeiten untersucht, so z. B. der Haubenabwurf von Segelflugzeugen, Golfballumströmungen oder die Bestim-mung der aerodynamischen Eigenschaften von Frisbee und

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Prof. Dr.-Ing. Detlef Schulze, M. Sc.Leiter Aerodynamik-Labor

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Gegenüberliegende Seite oben: Geschlossene Messstrecke des großen Windkanals Gegenüberliegende Seite unten: Großer Windkanal Göttinger Bauart nach dem Umbau Oben links: Kleiner Windkanal mit elliptischem Düsenaustritt Oben rechts: Überschallwindkanal zur Strömungsvisualisierung

Das Forschungs- und Technologievorhaben Aero-Struct wird im Rahmen des vierten zivilen Luft-fahrtforschungsprogramms (LuFo IV-4) von 2012 bis 2015 vom Bundesministerium für Wirtschaft

und Technologie (BMWi) gefördert. Es wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) geführt, das sich mit dem Institut für Aerodynamik und Strömungs-technik sowie dem Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik beteiligt. Die industriellen Verbundpartner sind Airbus Operations, Cassidian sowie Rolls-Royce Deutsch-land. Vonseiten der bundesdeutschen Hochschulen sind die TU Braunschweig, die TU München, die TU Berlin, die Universität Trier und die HAW Hamburg (Department Fahr-zeugtechnik und Flugzeugbau) vertreten.

Gegenstand des Verbundvorhabens AeroStruct sind die Un-tersuchung von bedeutsamen zukünftigen Luftfahrttech-nologiekonzepten und die zielgerichtete Bereitstellung der für eine entsprechende Produktentwicklung erforderlichen Fähigkeiten. Hierfür haben die Verbundpartner die folgen-den Produktkonzepte festgelegt: •FlexCraft: Wege zur progressiven Nutzung potenziell hö-

herer Flexibilität im Flugzeugdesign (Airbus)•OPTIMALE: Multidisziplinäre Optimierung und Simulati-

on zukünftiger Hochleistungsplattformen (Cassidian)•DIMENSyon-P: Entwicklung integrierter Methoden für

neue Triebwerkssysteme (Rolls-Royce Deutschland)•ForSWING: Entwurf eines vorwärts gepfeilten Faserver-bundtragflügels(DLR)

Teilprojekt ForSWINGDas DLR-Teilprojekt ForSWING verfolgt als Ziel die Entwick-lung einer multidisziplinären Simulationsumgebung für die Analyse und Optimierung von Flugzeugen und Flugzeug-komponenten. Als Anwendungsfall dient ein vorwärts ge-pfeilter Faserverbundtragflügel höchster aerodynamischerLeistung mit Nutzung des Potenzials der NLF-(Natural-Lami-nar-Flow-)Technologie und des aeroelastischen Tailorings.

Da die Umsetzung der NLF-Technologie für einen her-kömmlichen, rückwärts gepfeilten Tragflügel nur durcheineAbsenkungderReisefluggeschwindigkeitimVergleichzu heutigen Flugzeugen möglich ist, muss ein vorwärts ge-pfeilterTragflügelverwendetwerden.ZusätzlicheVorteileder Vorwärtspfeilung sind eine günstigere Lastverteilung, ein weniger kritisches Überziehverhalten sowie ein güns-tigeres Verhältnis von Querrudergröße zu Klappengröße. Diesen aerodynamischen Vorteilen steht jedoch ein we-sentlicher strukturmechanischer Nachteil gegenüber: Die Durchbiegung des Flügels nach oben führt bei vorwärts gerichteter Pfeilung zu einer Vergrößerung des Anstellwin-kels, aus dem erhöhte Auftriebskräfte resultieren. Diese greifen typischerweise vor der elastischen Achse an und bewirken eine weitere Anstellwinkelvergrößerung und da-mit Lasterhöhung. Die sich auf diese Weise wechselseitig vergrößernden Belastungen und Verformungen können zu einer statischen Divergenz, d. h. zum Auskippen des Flü-gels führen. Bei einer herkömmlichen Metallbauweise lässt sichdieDivergenznurdurchvergrößerteSteifigkeitenunddamit einhergehender Gewichtszunahme zu höheren Ge-schwindigkeiten hinausschieben.

HAW-Entwicklungsarbeiten im Teilprojekt ForSWINGDie HAW verantwortet die Arbeitspakete zur multidiszipli-nären Optimierung von Faserverbundbauweisen für Luft-fahrtstrukturen (MOFAL) nach dem 3-Säulen-Konzept (Bild oben). Wesentlicher Bestandteil der Entwicklungsarbeiten ist die Bereitstellung von leistungsfähigen Optimierungs-modellen (Säule 2), d. h. von Entwurfs- und Auswertemo-dellen. Im Entwurfsmodell wird beschrieben, welche Ent-wurfsparameter optimal bestimmt werden können und wie sie in die jeweiligen Analysemodelle der beteiligten Fach-disziplinen zu übersetzen sind. Im Auswertemodell müssen analog die fachspezifischen Analyseergebnisse entspre-chend den Entwurfszielen ausgewertet werden. Folgende Kernaufgaben werden bearbeitet:•Formulierung von Optimierungsmodellen zur Berück-

sichtigung - von Anisotropie-Eigenschaften (Aeroelastic Tailoring), - von Anforderungen zum Stabilitätsverhalten (Knicken,

Beulen) sowie - von Faserverbundversagenskriterien zur Festigkeitsbe-

urteilung im Strukturentwurf•Entwicklung parametrisierter Beschreibungen für die

Faserorientierungen und Dickenverläufe der Faserver-bundwerkstoffe unter Berücksichtigung von Fertigungs-anforderungen •Berücksichtigung von Robustheitsanforderungen im Op-

timierungsprozess

Analyse undOptimierung vonLuftfahrtstrukturen

Vermeidbar ist dieser Effekt, wenn über eine Kopplung der Biege- und Torsionsverformung einer Aufwärtsbiegung des TragflügelseinedenAnstellwinkelverkleinerndeTorsions-verformung zugeordnet werden kann. Dieses Verhalten ist prinzipiell nur durch Verwendung von Faserverbundwerk-stoffen erreichbar, deren anisotropes Verhalten gezielt eingesetzt wird (Aeroelastic Tailoring). Außerdem bieten die hervorragenden mechanischen Eigenschaften, d. h. die spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten der Faserver-bunde die generelle Möglichkeit einer äußerst gewichts-sparenden Bauweise.

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Prof. Dr.-Ing. Michael Seibel

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AeroStruct

Ein allgemeiner Trend ist spätestens mit der Airbus A380 auch in der Luftfahrt angekommen und wird in Flugzeugen wie der Boeing 787 und Airbus A350 fort-geführt und ausgebaut. Die Rede ist von Systemen,

deren Funktion weitgehend durch Software definiert wird.

In einer positiven Botschaft verpackt heißt dies, dass ein solches System enorm vielseitig ist und alle erdenklichen Funktionen ausführen kann, solange das System mithilfe der jeweils richtigen Software konfiguriert wird. Dies er-laubt die Schlussfolgerung, dass die Software das System darstellt und die umgebende Hardware lediglich eine ge-nerische Ressource ist, die u. a. die – natürlich wichtige – Aufgabe hat, die Schnittstellen zur Umwelt zu realisieren. Auf dieser Denkweise basiert zum Beispiel die Integrierte Modulare Avionik, bei Boeing zuerst in der B777 und bei Airbus in der A380 eingeführt. Auch Kabinenmanage-mentsysteme (KMS), wie sie zum Beispiel Airbus mit allen seinen Flugzeugen ausliefert, folgen dieser Philosophie.

Aus dem Vorteil, Funktionen per Software zu realisieren und damit bestmöglich Kundenwünsche zu erfüllen, erwächst die Konsequenz, dass diese Software, als Paket für alle Funktio-nen, eine nie gekannte Komplexität erreicht. Dies liegt zum einen an der stetig wachsenden Anzahl von Funktionen, die dem Anwender des KMS angeboten werden, und zum an-deren an der stetig steigenden Verknüpfung der Funktionen untereinander. Besonders die neuesten Systeme für die A380 und die A350 erreichen hier immer neue Rekorde. Für den Hersteller solcher Systeme er-gibt sich daraus das Problem,

wie solche Systeme effizient entwickelt werden können, un-ter der erschwerenden Randbedingung, dass ein zuverlässi-ges Funktionieren nachzuweisen ist.

Grundlegend für die Herstellung eines komplexen Systems ist immer die Konzeption desselben. Ein Vorgang der letztlich in der Spezifikation des Systems mündet. Dies klingt trivial, ist es aber ganz und gar nicht. Natürlich wird jeder Ingeni-eur bestätigen, dass man wisse, was der Kunde wolle, und genau dies auch baue. Dieser Anspruch des Ingenieurs an seine Arbeit ist bei Systemen mäßiger Komplexität auch fast immer realisierbar. Bei einer großen Anzahl zu realisierender und dazu vernetzter Funktionen, die zu einem hochkomple-xen System führen, wird man feststellen, dass es alles andere als trivial ist, vollständig und richtig zu beschreiben, was der Kunde und Benutzer von dem zu bauenden System erwartet

nenmanagementsystems für ein großes Verkehrsflugzeug im Fokus und wird eingehend betrachtet.

Häufig wird kritisiert, dass eine Modellbildung in der Spezi-fikationsphase bereits die Implementierung vorwegnimmt und damit sehr aufwendig ist. Dies ist zum Teil richtig. Der Aufwand für eine modellbasierte Spezifikation ist tendenzi-ell höher als für eine textbasierte. Allerdings erscheint eine textbasierte Spezifikation aufgrund der hohen Komplexität der zu beschreibenden Funktionen und Systeme, u. a. be-legt durch Erfahrungswerte aus der Praxis, nicht mehr als tragfähige Alternative. Außerdem wird in dem Projekt auch exemplarisch gezeigt, mit welchem Abstraktionsniveau eine modellbasierte Spezifikation eine qualitative Verbesserung erzielt, ohne die Umsetzungsarbeit bereits vollständig in der Spezifikationsphase zu leisten.

Im Rahmen eines solchen Forschungsprojekts kann keine modellbasierte Spezifikation eines vollständigen Kabinen-managementsystems moderner Bauart geleistet werden, da bereits die textbasierte Spezifikation einer Arbeitsleistung von mehreren Personenjahren entspricht. Daher wird im Pro-jekt ein funktionsreduziertes System erarbeitet, welches die grundlegenden, als unverzichtbar anerkannten Funktionen umfasst. Dieser reduzierte Funktionsumfang wird im Projekt partiell modellbasiert und damit ausführbar spezifiziert. Die modulare Gestaltung der entstehenden Funktionsmodel-le wird außerdem einen Weg aufzeigen, wie auch größere

Systeme mit einer Vielzahl an Funktionen gemäß der untersuchten Methode effi-zient spezifizierbar sind.

Funktions-reduziertes Kabinen-managementsystem

SIMKAB

und welche Eigenschaften gegebenenfalls um jeden Preis zu vermeiden sind. Erschwerend kommt hinzu, dass diese An-forderungssammlungen so umfangreich werden, dass sie von einzelnen Personen nicht mehr ganzheitlich überblickt und verarbeitet werden können. Es hat sich gezeigt, dass das Vorgehen gemäß dem klassischen textbasierten require-ments engineering hier an seine Grenzen stößt und häufig zu einer Anforderungssammlung führt, die nicht vollständig und nicht widerspruchsfrei ist und damit keine solide Basis für eine Umsetzung der komplexen Systeme liefert.

Hier setzt das hier vorgestellte Projekt an. Es wird untersucht, inwieweit das model-based engineering, also die formale Beschreibung des Produkts mithilfe mehr oder weniger ab-strakter, im Computer ausführbarer Modelle, zielführend ist. Dabei liegt der spezifische Fall der Spezifikation eines Kabi-

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Dipl.-Inf. Nils Fischer

[email protected]

Prof. Dr.-Ing. Mark Wiegmann

[email protected]

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Impressum

HerausgeberProf. Dr.-Ing. Hartmut Zingel, Leiter CCNFProf. Dr.-Ing. Thomas Netzel, Leiter Forschung CCNFwww.haw-hamburg.de/ccnf

Redaktion, ProduktionRedaktion mobilesHochschule für Angewandte Wissenschaften HamburgDepartment Fahrzeugtechnik und FlugzeugbauBerliner Tor 9, 20099 [email protected]

Kimberly Dippel, B. Eng.Sebastian Donath, B. Eng.

LektoratBüro für Lektorate und Übersetzungen, Dieter Schlichting, Hamburg, www.ds-lektorat.de

BildnachweisEva Berthold: Seite 18, 19Thomas-Mathias Bock: Seite 29Augustas Didzgalvis: Seite 30Carsten Ebmeyer: Seite 31Gordon Konieczny: Seite 1, 34Paula Markert: Personenfotos Seite 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 27, 33, 35, 37, 39, 40, 41Jörg Müller: Seite 28Markus Scholz: Seite 3

Druckcreo Druck & Medienservice GmbH, Bamberg

UrheberrechtNachdruck, elektronische Veröffentlichung und sonstige Vervielfältigung, auch auszugsweise, sind nur mit einer schriftlichen Genehmigung der HAW Hamburg gestattet.

Auflage3000 Exemplare

Folgende Forschungsprojekte werden gefördert:

AeroStruct – Analyse und Optimie-rung von Luftfahrtstrukturen

PEREC – Personenzentrierte rekonfigurierbare Kabine

PROTEG & DIANA

Reduktion der Schallübertragung bei Antrieben mit gegenläufigen Propellern

SIMKAB – Funktionsreduziertes Kabinenmanagementsystem

KKS – Labor für Kabine und Kabinensysteme

NAWIFLUG – Nachhaltiges Wissens-management im Flugzeugbau

Vibroakustische Simulation für den Kabinenkomfort

BWB – Das studentische Projekt AC20.30