Wenn jedes Gramm zählt 1

Erstmals bei einem Verkehrsflugzeug, nämlich dem Airbus A380, kommt das Local Electrical Hydraulic Generation System (LEHGS) zum Einsatz. Dieses und weitere gewichtsmindernde Systeme entwickelte Messier-Bugatti unter Zuhilfenahme
von Simulationstools des belgischen Anbieters LMS International.

Größe fällt ins Gewicht. Vor allem wenn es sich um das weltweit größte Verkehrsflugzeug handelt, den Airbus A380. Entsprechend beeindrucken die Grunddaten: Gesamtlänge 73 Meter, Spannweite nahezu 80 Meter, Platz für 525 Passagiere, die Reichweite von 15 200 Kilometer entspricht etwa einem Nonstop-Flug New York-Hongkong. Hohe Nutzlastkapazität plus hohe Treibstoffeffizienz also.

Dies gab der Entwicklung die Richtung vor, nämlich konsequente Gewichtseinsparung. Auf mehr als 25 Prozent der Struktur entfallen daher Verbundwerkstoffe und weitere leichte Materialien. Und bis in Details hinein wurden Möglichkeiten zur weiteren Gewichtsreduzierung geprüft. Insbesondere im Fokus der Entwickler: die Hydraulikleitungen. Sie führen von großen zentralen Pumpen entlang des gesamten Flugzeugs zu einzelnen Baugruppen wie beispielsweise Bremsen, Fahrwerk und Bugradsteuerung.

Üblicherweise verfügen große Verkehrsflugzeuge über drei ausfallsichere Hydrauliksysteme,  zwei Hauptkreisläufe und einen dritten Reservekreislauf – sämtlich verbunden mit dem Einsatz einer großen Anzahl gewichtiger Hydraulikschläuche. Ein Einsparpotenzial, das die Entwickler zu nutzen wussten. So wurde der rein hydraulische Reservekreislauf durch ein dezentrales System zur hydraulischen Energiewandlung ersetzt. Steuergeräte (ECUs) aktivieren zahlreiche elektrisch angetriebene Mikropumpen in unmittelbarer Nähe der zu steuernden Systeme. Sie erzeugen für das Bremsen und Lenken über kurze, leichte Leitungen mit geringen Durchmessern 350 bar Druck, sodass das System im Notfall jederzeit zur Verfügung steht. Bei der Optimierung der Systemleistung war es für das Entwicklungsteam besonders schwierig, die zahlreichen Bauteile, Baugruppen und Subsysteme für die mechanischen, elektrischen und hydraulischen Systeme zu integrieren und deren Größe zu bestimmen. Außerdem mussten sämtliche Risikofaktoren, beispielsweise Überhitzung, mit bedacht werden.

Hinzu kamen zeitliche Beschränkungen und Budgetkürzungen, die zeitaufwendige und kostenintensive Systemtests nicht zuließen. Mehr noch, Entwicklung und Leistungsoptimierung des Systems mussten in einer frühen Entwicklungsphase des Flugzeugs erfolgen – noch bevor jegliche Hardware gebaut wurde. Außerdem wurden zeitlich parallel weitere Systeme des Flugzeugs entwickelt. Messier-Bugatti löste die Aufgaben mit der auf der Simulationsplattform AMESim aufsetzenden Software ‚LMS Imagine.Lab Ground Loads‘.

Das Unternehmen konnte dazu auf Erfahrungen aus früheren Projekten zurückgreifen, bei denen das Verhalten komplexer, multidisziplinärer intelligenter Systeme berechnet wurde. Die Vorgehensweise bei der neuen Aufgabenstellung: Zunächst wählten die Entwickler individuelle Bauteile und Subsysteme aus einer Bibliothek vordefinierter Elemente und setzten sie zusammen: ‚LMS Imagine.Lab Ground Loads Solution‘, ‚LMS Imagine.Lab Hydraulics‘, ‚Thermal Option‘, ‚LMS Imagine.Lab Thermofluids‘ sowie ‚Electromechanical Options‘.

Abweichend zu herkömmlichen Sprachen für die Modellierung von Systemen, bei denen Software geschrieben werden muss, wird das gesamte System graphisch in ‚LMS Imagine.Lab A-MESim‘ modelliert. Dazu werden bei Bedarf bestimmte Parameter eingegeben. Die Software  erstellt sodann aus den Angaben der miteinander zu verbindenden Bauteile und Subsysteme ein multidisziplinäres Systemmodell, ohne dass eine Darstellung mittels 3D-Geometrien erforderlich ist. Auf diese Weise lässt sich das Verhalten intelligenter Systeme simulieren und berechnen, weit bevor detaillierte CAD-Geometrien zur Verfügung stehen. Kurz: Der Einsatz der Tools erlaubt umfangreiche Analyse des hydraulischen System-Verhaltens hinsichtlich Performance, Stabilität sowie Zuverlässigkeit.

Parameter und Szenarien analysiert
Zudem untersuchten die Entwickler am Modell die thermischen Eigenschaften des Hydraulikkreislaufs und prüften die Notwendigkeit des Einsatzes von Wärmetauschern. Anhand der Ergebnisse wurden anschließend Größe, Leistung und weitere Spezifikationen des gesamten Systems zur hydraulischen Energiewandlung, einschließlich des Tanks, der Pumpe und des Druckspeichers, festgelegt. Darüber hinaus konnten die Entwickler mit ‚LMS Imagine.Lab Ground Loads‘ zahlreiche Parameter und Szenarien analysieren. Bei der Entwicklung eines Lenksystems beispielsweise lassen sich von der Spezifikation bis hin zur Validierung verschiedene Kombinationen aus Bauteilen und Systemen (Aktuatoren, Motoren, Ventile, ECUs, etc.) miteinander vergleichen.

Fazit: Dank der eingesetzten Tools konnte Messier-Bugatti das Verhalten des elektro-hydraulischen Systems für den A380 simulieren, die Systemleistung zur Energiewandlung prüfen und die Größe der Bauteile bereits zu einem frühen Zeitpunkt der Entwicklung festlegen. Ein Vorteil, der sich in einer erheblich geringeren Anzahl an Prototypen auswirkte. Zudem ließen sich die Risiken bei der Entwicklung einer neuen Technologie verringern. Resumée von Michel Benmoussa, leitendem Projekt-Entwickler, zum Gesamtergebnis: „Die in den frühen Projektstadien mit ‚LMS Imagine.Lab AMESim‘ erzielten Simulationsergebnisse bestätigten sich später auf dem Prüfstand.“