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Aug 22, 2023

DARPAs neues X

Die Möglichkeit, herkömmliche bewegliche Steuerflächen zu eliminieren, könnte grundlegend sein

Die Möglichkeit, herkömmliche bewegliche Steuerflächen zu eliminieren, könnte die Konstruktion von Flugzeugen, insbesondere Tarnflugzeugen, grundlegend verändern.

FranticGoat

Die Defense Advanced Research Projects Agency ist in die nächste Phase ihres Programms „Control of Revolutionary Aircraft with Novel Effectors“ (CRANE) eingetreten. Im Mittelpunkt des Projekts steht ein experimentelles unbemanntes Flugzeug, das Aurora Flight Sciences entwickelt und das über keine herkömmlichen beweglichen Oberflächen zur Steuerung des Flugzeugs im Flug verfügt.

Das CRANE-Design von Aurora Flight Sciences, das noch keine offizielle X-Plane-Bezeichnung oder einen offiziellen Spitznamen hat, verwendet stattdessen ein aktives Strömungskontrollsystem (AFC), um das Flugzeug mithilfe von Stößen unter hohem Druck zu manövrieren. Diese Technologie könnte schließlich auch in andere militärische und zivile Designs Eingang finden. Bei der Anwendung auf künftige Stealth-Flugzeuge könnte dies besonders erhebliche Auswirkungen haben.

Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) hat gestern eine Pressemitteilung zu den letzten Entwicklungen im CRANE-Programm herausgegeben. Aurora Flight Sciences, eine Tochtergesellschaft von Boeing, gab bereits am 12. Dezember 2022 bekannt, dass sie einen Phase-2-Vertrag zur Fortsetzung der Arbeiten an diesem Projekt erhalten hat.

„Phase 2 wird sich auf das detaillierte Design und die Entwicklung von Flugsoftware und -steuerungen konzentrieren und in einer kritischen Designüberprüfung eines X-Plane-Demonstrators gipfeln, der ohne herkömmliche bewegliche Flugsteuerungen an der Außenseite der Flügel und des Hecks fliegen kann“, so DARPA. „Der Vertrag beinhaltet eine Phase-3-Option, in der DARPA beabsichtigt, ein 7.000 Pfund schweres X-Flugzeug zu fliegen, das die beiden wichtigsten technischen Hürden der Integration von AFC in ein vollwertiges Flugzeug und der Abhängigkeit davon für einen kontrollierten Flug überwindet.“

Aurora gehörte zu den vier Unternehmen, die im Rahmen der Phase 0 des Programms in den Jahren 2020 und 2021 mit der Durchführung erster KRAN-bezogener Designstudien beauftragt wurden. Das Unternehmen untersuchte mehrere Designs, darunter Kipprotortypen, die von der Bell/Boeing V-22 Osprey inspiriert waren, und eine weitere vertikale Version start- und landefähiges Flugzeug mit in die Flügel eingebauten Auftriebsventilatoren. Unter anderem wurde auch eine modifizierte Version des Blended-Wing-Body-Demonstrators X-48C von Boeing in Betracht gezogen.

Das Design, für das sich Aurora letztendlich entschied, orientierte sich eher an einem konventionellen Flugzeug. Es verfügt jedoch über eine sogenannte Co-Planar Joined Wing (CJW)-Grundrissform, die aus zwei Flügelsätzen besteht, die an einem einzigen zentralen Rumpf befestigt sind und an den Spitzen zusammenlaufen, sowie über eine doppelte vertikale Leitwerksanordnung. Nach dem derzeitigen Entwurf wird die Drohne „Düsenbänke“ verwenden, die an verschiedenen Stellen der Flügel installiert sind, um in der Luft zu manövrieren.

Die Anordnung der Haupttriebwerke des Flugzeugs ist nicht ganz klar. Ein Lufteinlass am Kinn unter dem vorderen Rumpf zusammen mit einer einzelnen Abgasdüse am Heck, wie sie in offiziellen Konzeptzeichnungen und bei Windkanalmodellen zu sehen sind, scheint auf einen Plan hinzuweisen, das Flugzeug mit einem einzigen Strahltriebwerk anzutreiben.

Es ist auch unklar, ob das Hauptantriebssystem des Flugzeugs oder eine Art Hilfsenergiequelle voraussichtlich die für den Betrieb der AFC-Düsenbänke erforderliche Druckluft erzeugen wird. Die von DARPA veröffentlichte Konzeptzeichnung scheint einen separaten Einlass oben auf der Nase und einen kleineren Auslass oben im Mittelteil des Rumpfes zu zeigen, der möglicherweise mit dem AFC-System verbunden ist.

Interessanterweise ist das Design von Aurora „als modulares Prüffeld mit austauschbaren Außenbordflügeln und austauschbaren AFC-Effektoren konfiguriert. Das modulare Design ermöglicht das Testen nicht nur der AFC-Effektoren von Aurora, sondern auch AFC-Effektoren verschiedener anderer Designs“, heißt es in einer im Dezember veröffentlichten Pressemitteilung des Unternehmens 2022 sagte. „Durch die Erweiterung der Testkapazitäten über die von Aurora entwickelten Komponenten hinaus kommt das Programm seinem Ziel näher, das Vertrauen zu schaffen, das für zukünftige Flugzeuganforderungen sowohl im militärischen als auch im kommerziellen Bereich erforderlich ist, um AFC-fähige Fähigkeiten einzubeziehen.“

Aurora hat im Rahmen der Phase 1 von CRANE bereits umfangreiche Windkanaltests von Subscale-Modellen mit repräsentativen AFC-Komponenten durchgeführt. Das Unternehmen wurde zusammen mit Lockheed Martin ausgewählt, um mit dieser Phase des Programms im Jahr 2021 fortzufahren.

„Mit einem Modell im 25-Prozent-Maßstab führte Aurora vier Wochen lang Tests in einer Windkanalanlage in San Diego, Kalifornien durch. Zusätzlich zu 11 beweglichen konventionellen Steuerflächen verfügte das Modell über 14 AFC-Bänke mit acht völlig unabhängig steuerbaren AFC-Luftversorgungskanälen. " heißt es in einer Pressemitteilung des Unternehmens vom Mai 2022. „Über 14.000 Datenpunkte wurden gesammelt, darunter 8.860 AFC-Kontrollpunkte, und bildeten die Grundlage für eine aerodynamische Datenbank in Flugqualität, um eine schnelle Ausführung in zukünftigen Programmphasen zu ermöglichen.“

Wenn DARPA in Phase 3 des CRANE-Programms übergeht, wird Aurora dann den vollständigen 7.000-Pfund-Prototyp bauen, der nach Angaben des Unternehmens voraussichtlich eine Flügelspannweite von 30 Fuß haben und Geschwindigkeiten von bis zu Mach 0,7 erreichen kann. Die Flugerprobung könnte bereits 2025 beginnen.

Wenn sich das Design des CRANE Die Möglichkeit, die Notwendigkeit beweglicher Steuerflächen zu beseitigen, könnte zu grundlegenden Änderungen in der künftigen Entwicklung eines Flugzeugs führen.

Der Verzicht auf herkömmliche Steuerflächen ermöglicht von Natur aus ein aerodynamischeres Design und ermöglicht somit ein effizienteres Fliegen, insbesondere in größeren Höhen. Ein Flugzeug mit einem AFC-System benötigt nicht die verschiedenen Aktuatoren und anderen Komponenten, um Dinge wie Querruder und Ruder zu bewegen, was neue Möglichkeiten zur Reduzierung von Gewicht und Volumen bietet.

Ein leichteres und stromlinienförmigeres Flugzeugdesign mit einem AFC-System könnte eine größere Manövrierfähigkeit ermöglichen. Dies könnte insbesondere für unbemannte Typen gelten, die sich auch keine Gedanken über die körperlichen Einschränkungen eines Piloten machen müssen.

Der Wegfall so vieler beweglicher Teile bedeutet auch, dass weniger Dinge kaputt gehen können, was die Sicherheit und Zuverlässigkeit erhöht. Dadurch würden auch diverse Wartungs- und Logistikaufwände entfallen. Dadurch könnte ein militärisches Design widerstandsfähiger gegen Kampfschäden werden und auch einfacher zu reparieren sein.

Während all dies für viele Flugzeugtypen von Vorteil sein könnte, könnte die AFC-Technologie besonders wichtig sein, wenn sie auf Stealth-Designs angewendet wird. Konstrukteure von Stealth-Flugzeugen müssen auf Fugen oder andere Lücken zwischen exponierten Oberflächen achten und versuchen, diese generell auf ein Minimum zu beschränken, um sicherzustellen, dass der Radarquerschnitt so gering wie möglich bleibt.

Daher sind herkömmliche Steuerflächen, die per Definition nicht immer bündig mit der übrigen Außenform des Flugzeugs abschließen können, ein großes und derzeit unumgängliches Problem. Fly-by-Wire-Designs sorgen außerdem dafür, dass diese Oberflächen jederzeit flattern, um das Stealth-Flugzeug im Vorwärtsflug stabil zu halten. Die AFC-Technologie verspricht, diese Realität ändern zu können und es einfacher zu machen, die Radarumgehungsqualitäten eines Stealth-Designs zu optimieren. Andere Technologien, wie die Fähigkeit, Flügelstrukturen dynamisch zu verbiegen, um die Flugsteuerung zu ermöglichen, könnten auch bei der künftigen Kontrolle der Radarsignatur von heimlichen Flugzeugen hilfreich sein.

Das CRANE-Programm und das Design von Aurora Flight Sciences sind natürlich nicht das erste Mal, dass mit der AFC-Technologie experimentiert wird. Das in Großbritannien ansässige Unternehmen BAE Systems, das ebenfalls an Phase 0 von CRANE beteiligt war, experimentiert seit mindestens 2010 öffentlich mit verschiedenen AFC-Konzepten. Die jüngste dieser Entwicklungen war ein mit AFC ausgestattetes Design namens MAGMA. Dieses von BAE als „großes Modell“ beschriebene Flugzeug flog tatsächlich und Sie können hier mehr darüber lesen.

„In den letzten Jahrzehnten hat die Gemeinschaft der aktiven Strömungskontrolle erhebliche Fortschritte gemacht, die die Integration aktiver Strömungskontrolltechnologien in moderne Flugzeuge ermöglichen“, sagte Richard Wlezein, CRANE-Programmmanager bei DARPA, in einer Erklärung, die in der heutigen Pressemitteilung enthalten ist. „Wir sind zuversichtlich, den Entwurf und die Flugtests eines Demonstrationsflugzeugs mit AFC als primärem Designaspekt abschließen zu können.“

Egal was passiert, DARPA und Aurora sehen beide eine Zukunft für dieses Design über das CRANE-Programm hinaus.

„Mit einem modularen Flügelabschnitt und modularen AFC-Effektoren hat das CRANE

„Durch die Erweiterung der Testkapazitäten über die von Aurora entwickelten Komponenten hinaus kommt das Programm seinem Ziel weiter voran, das Vertrauen zu schaffen, das für zukünftige Anforderungen an Flugzeuge, sowohl militärische als auch kommerzielle, erforderlich ist, um AFC-fähige Fähigkeiten einzubeziehen“, heißt es in der Pressemitteilung von Aurora vom Dezember 2022 sein oben erwähntes modulares Prüfstanddesign.

„Unsere Fortschritte im CRANE-Programm nutzen die gezielten Investitionen von Boeing in die aktive Flusskontrolle und zielen darauf ab, die potenziellen Vorteile der Technologie weiter zu validieren, um die Effizienz und Leistung sowohl für Verkehrs- als auch für Militärflugzeuge zu verbessern“, sagt Laurette Lahey, Senior Director, Boeing Research and Technology, Flight & Vehicle Technology, hieß es letztes Jahr in einer anderen Erklärung.

Alles in allem wird es sehr interessant sein zu sehen, wie das CRANE-Programm jetzt weitergeht und ob es letztendlich zum Bau eines möglicherweise revolutionären X-Flugzeugs führt.

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