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Masterarbeit: Flugsimulationsmodell aus Flugtestdaten

Aerodynamisches Modell mit Generalized Additive Models

Das dynamische Verhalten eines Flugzeuges sowie die für die Piloten spürbaren Kräfte auf die Flugsteuerung können mittels Flugsimulationsmodellen abgebildet werden. Flugsimulationsmodelle basieren auf mathematischen Forumulierungen, welche meist mittels Windkanal- und Flugtestdaten parametrisiert werden. Im Rahmen einer Masterarbeit wurde ein neuartiges Verfahren verwendet, welches die Aerodynamik mittels Generalized Additive Models (GAM) aus Flugtestdaten modelliert.

Flugsimulationsmodelle werden für das Training von Piloten, für die Entwicklung und das Einstellen von Flugregelungssystemen und Autopiloten, oder in der Vorhersage der Performance und der Flugführungsqualitäten von neuen Flugzeugen eingesetzt. Flugsimulationsmodelle basieren auf einer mathematischen Beschreibung des zu simulierenden Flugzeuges und werden in der Regel mit Messdaten aus dem Windkanal, aus Flugtests, oder mit Computational Fluid Dynamics (CFD) Daten parametrisiert. Dieser Parametrisierungsprozess ist äusserst komplex und aufwändig.

In einer Masterarbeit am Zentrum für Aviatik, in Zusammenarbeit mit der Universität Zagreb, wurde ein neuartiges Verfahren basierend auf sogenannten Generalized Additive Models (GAM) angewendet. GAM erlauben die Anpassung von nicht-lineares Modellen an die oben erwähnten Daten. Dabei kommen nicht-linearen "Smooth"-Funktionen, welche in einem additiven Model den Daten angepasst werden können. 

"GAM ist ein faszinierendes Betätigungsfeld und bietet beachtliches Potential im Bereich der aerodynamischen Modellierung."

Dr. Pierluigi Capone, Teamleiter Flugmechanik und Flugregelungssysteme

Beispiel: Modellierung des Pitching-Moment-Koeffizienten

Um die Wirkungsweise von GAM zu demonstrieren, wird das Modell des Pitching-Moment-Koeffizienten eines zweisitzigen General-Aviation Flugzeuges entwickelt. Der Pitching-Moment-Koeffizient bestimmt massgeblich das Flugverhalten, indem er beschreibt, wie das Flugzeug "die Nase" hebt und senkt. Diese Bewegung hängt unter anderem vom Höhenruderausschlag, dem Anstellwinkel und der Geschwindigkeit ab.

Die dem GAM zu Grunde liegenden Flugtestdaten wurden von der ZHAW im Rahmen einer Flugmesskampagne im Jahr 2016 erflogen und umfassen mehr als 1000 Testpunkte.

Das entwickelte Modell beinhaltet unter anderem den Einfluss des Anstellwinkels, des Schubkoeffizienten und des Höhenruderausschlag (siehe Abbildungen links).

Fazit

Die Masterthesis hat gezeigt, dass GAM eine intuitive und einfache Methode zur Entwicklung von aerodynamischen Modellen basierend auf Flugtestdaten anbietet. Die Genauigkeit der auf GAM-basierenden Modellen wurden mittels eines unabhängigen Flugtestdatensets validiert (siehe Abbildung). Dabei konnte bestätigt werden, dass das Flugsimulationmodell gut mit dem realen Verhalten des Flugzeuges übereinstimmen. Ausserdem stellen GAM eine praktisches und intuitives Werkzeug dar, um dem Entwickler einen Überblick über die Daten und die Zusammenhänge zu verschaffen.

Die Resultate dieser Masterthesis wurden in einem wissenschaftlichen Artikel mit dem Titel "Determination of model structure from flight test with generalized additive models" publiziert.