Um beim Großflugzeug A380 Gewicht einzusparen, entwickelte Messier-Bugatti mit LMS Imagine.Lab AMESim und der Softwarelösung Ground Loads ein innovatives, dezentrales System zur hydraulischen Energiewandlung mit leichten Mikropumpen, das die Notbremssysteme und die Fahrwerkssteuerung lokal mit Energie versorgt.

Größe fällt unbestreitbar ins Gewicht. Vor allem wenn man das größte Verkehrsflugzeug der Welt entwickelt. Mit einer Gesamtlänge von 73 m und einer Spannweite von fast 80 m bietet der Airbus A380 Platz für 525 Passagiere und eine Reichweite von 15.200 km – genug für einen Nonstop-Flug von New York nach Hongkong. Bei der Entwicklung dieses Kolosses stand die Gewichtsreduktion im Vordergrund, um höchste Treibstoffeffizienz und größte Nutzlastkapazität zu erreichen. Verbundwerkstoffe und andere leichte Materialien machen mehr als 25 Prozent der Struktur aus und das Flugzeug ist bis ins Detail auf weitere Möglichkeiten zur Gewichtseinsparung geprüft.

Besonders konzentrierten sich die Entwickler auf die schweren Hydraulikleitungen, die von großen zentralen Pumpen entlang des gesamten Flugzeugs zu einzelnen Baugruppen wie etwa zu den Bremsen, zum Fahrwerk und zur Bugradsteuerung verlaufen. Normalerweise verfügen große Verkehrsflugzeuge über drei ausfallsichere Hydrauliksysteme, nämlich über zwei Hauptkreisläufe und aus Sicherheitsgründen über einen dritten Reservekreislauf – eine Unmenge Schläuche mit großem Gewicht.

Um hier Gewicht zu sparen, wurde der vollständig hydraulische Reservekreislauf durch ein dezentrales System zur hydraulischen Energiewandlung ersetzt. Durch Steuergeräte (ECUs) gegebene Signale aktivieren zahlreiche elektrisch angetriebene Mikropumpen, die sich in unmittelbarer Nähe der zu steuernden Systeme befinden. Die Mikropumpen erzeugen über kurze, leichte Leitungen mit geringem Durchmesser zum Bremsen und Lenken 350 bar hydraulischen Druck, sodass das System im Notfall jederzeit zur Verfügung steht.

Eine entwicklungstechnische Herausforderung
Das Local Electrical Hydraulic Generation System (LEHGS) kommt weltweit zum ersten Mal in einem Verkehrsflugzeug zum Einsatz. Es wurde von Messier-Bugatti entwickelt, einer Tochtergesellschaft der Safran-Gruppe, die zu den international führenden Anbietern von Flugsteuer- und Landesystemen gehört. Mit Airbus arbeitet das Unternehmen bereits seit über 30 Jahren zusammen. Außerdem gehören 250 Fluggesellschaften, 20 Luftstreitkräfte und große internationale Flugzeughersteller zum Kundenkreis.

Bei der Optimierung der Systemleistung war es für das mit dem Projekt befasste Entwicklungsteam besonders schwierig, die zahlreichen verschiedenen Bauteile, Baugruppen und Subsysteme für die mechanischen, elektrischen und hydraulischen Systeme zu integrieren und deren Größe zu bestimmen. Außerdem mussten sämtliche Risikofaktoren, beispielsweise Überhitzung, überprüft werden.

Hinzu kamen zeitliche Beschränkungen und Budgetkürzungen, die zeitaufwendige und kostenintensive Systemtests nicht zuließen. Mehr noch, die Entwicklung und die Leistungsoptimierung dieses innovativen Systems musste in einer frühen Entwicklungsphase des Flugzeugs ausgeführt werden, und zwar noch bevor jegliche Hardware gebaut wurde. Außerdem wurden währenddessen gleichzeitig andere Systeme des Flugzeugs entwickelt. Eine schwierige Aufgabe, der sich nur wenige Systemlieferanten in der Luftfahrtbranche stellen würden.

Die Lösung: Berechnungen mit innovativer Software
Messier-Bugatti löste diese Aufgaben mit der auf der Simulationsplattform AMESim basierenden Softwarelösung LMS Imagine.Lab Ground Loads. Die Lösung hatte das Unternehmen bereits im Zuge früherer Projekte implementiert, um das Verhalten komplexer, multidisziplinärer intelligenter Systeme zu berechnen. Die Entwickler wählten zunächst individuelle Bauteile und Subsysteme aus einer Bibliothek vordefinierter Elemente aus und setzten diese zusammen: LMS Imagine.Lab Ground Loads Solution, LMS Imagine.Lab Hydraulics, Thermal option und LMS Imagine.Lab Thermofluids, Electromechanical options.

Anders als bei herkömmlichen Sprachen zur Modellierung von Systemen, bei denen Software geschrieben werden muss, wird das gesamte System grafisch in LMS Imagine.Lab AMESim modelliert. Hierbei werden bei Bedarf Parameter eingegeben. So erstellt die Software aus den gesamten konzeptuellen Angaben zu miteinander verbundenen Bauteilen und Subsystemen ein multidisziplinäres Systemmodell, ohne dass eine vollständige Darstellung mit 3D-Geometrien erforderlich ist. Daher lässt sich das Verhalten intelligenter Systeme simulieren und berechnen, lange bevor detaillierte CAD-Geometrien zur Verfügung stehen.

Dank der flexiblen Lizenzierung nutzten die Systemingenieure von Messier-Bugatti die Softwarelösung LMS Imagine.Lab Ground Loads während des gesamten Prozesses bequem und kostengünstig und konnten so den Einsatz bestimmter Module und Bibliotheken optimieren und gleichzeitig die Kosten für die Systemsimulation senken.

Simulation komplexen Verhaltens
Dank der Fähigkeiten zur Modellerstellung und Analyse von LMS Imagine.Lab Ground Loads konnte Messier-Bugatti das hydraulische Verhalten des Systems im Hinblick auf Performance, Stabilität und Zuverlässigkeit analysieren. Die Entwickler untersuchten am Modell außerdem die thermischen Eigenschaften des Hydraulikkreislaufs und prüften die Notwendigkeit von Wärmetauschern. Anhand dieser Ergebnisse wurden anschließend die Größe, die Leistung und weitere Spezifikationen des gesamten Systems zur hydraulischen Energiewandlung, einschließlich des Tanks, der Pumpe und des Druckspeichers, festgelegt.

Mit der Lösung LMS Imagine.Lab Ground Loads konnten die Entwickler darüber hinaus zahlreiche verschiedene Parameter und Szenarien analysieren. Bei der Entwicklung eines Lenksystems beispielsweise können von der Spezifikation bis zur Validierung verschiedene Kombinationen aus Bauteilen und Systemen (Aktuatoren, Motoren, Ventile, ECUs usw.) verglichen werden. So lässt sich die Qualität des Lenksystems entscheidend verbessern.

Mithilfe dieser Fähigkeiten zur Berechnung simulierte Messier-Bugatti das Verhalten des elektro-hydraulischen Systems für den A380, prüfte die Systemleistung zur Energiewandlung und ermöglichte den Entwicklern, die Größe der Bauteile bereits zu einem frühen Zeitpunkt in der Entwicklung exakt festzulegen. Hierdurch war das Unternehmen erheblich weniger auf eine große Anzahl Prototypen angewiesen. „Mit LMS Imagine.Lab AMESim kann Messier-Bugatti ohne umfangreiche Prüfstandstests komplexe, durch unterschiedliche physikalische Abläufe geprägte Systeme auslegen“, so Michael Benmoussa, leitender Entwicklungsingenieur des Projekts.

Zuverlässigere Entwicklung
Laut Benmoussa konnte Messier-Bugatti durch die Simulation den Risiken bei der Entwicklung einer neuen Technologie vorgreifen und diese verringern, indem im Vorfeld Analysen zur Auswahl der jeweiligen technischen Lösung eingebaut wurden. „Die in den frühen Projektstadien mit LMS Imagine.Lab AMESim erzielten Simulationsergebnisse bestätigten sich später auf dem Prüfstand mit ausgezeichneter Genauigkeit.“

Mit der Softwarelösung Ground Loads konnte das Entwicklungsteam den Entwicklungsprozess weitaus zuverlässiger gestalten und gewann viel Freiraum für Innovation, Forschung und Entwicklung. „Messier-Bugatti konnte die Performance von Systemen und Ausrüstung, einschließlich kritischer neuer Technologien, für den gesamten Flugbereich berechnen“, so Benmoussa. „Bei Inbetriebnahme des A380 ist der Regelkreis der Bugradsteuerung nur mit LMS Imagine.Lab AMESim ausgelegt. Unsere Tests dienten lediglich zur Bestätigung der exzellenten Performance des Systems.“

Bild: Die Entwickler nutzten jede Gelegenheit zur Gewichtsreduktion, um die Nutzlast des A380, des größten Verkehrsflugzeugs der Welt, zu maximieren. (Quelle: LMS)