Konstruktion und FEM Analyse von CFK Triebwerksschaufeln

Innerhalb des wissenschaftlichen Zentrums DTEC.bw bzw. dessen Subprojekt ELAPSED (Electric Aircraft Propulsion – safe, efficient, digitally linked) wird ein elektrisch angetriebener Propulsor entwickelt. Dazu wurde in einem ersten Schritt ein Tool zur automatisierten aerodynamischen Auslegung einer Fanstufe implementiert, dessen Ergebnis unter anderem das CAD-Modell einer Fanblade ist. Darauf basierend wurde ein erstes Fertigungsverfahren zur Herstellung dieser Blade aus CFK (Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) entwickelt und erfolgreich umgesetzt. Außerdem wurde an Festigkeitsberechnungen in FEM gearbeitet. Allerdings enthalten die Verfahren noch einige händische und damit zeit- und kostenintensive Schritte. Um diese zu vermeiden, sollen folgende mögliche Themenschwerpunkte zur Bearbeitung im Rahmen von Bachelor-, Seminar- oder Masterarbeiten ausgeschrieben werden:

• Optimierung des Fertigungsprozesses
• Implementierung eines Prozesses zur automatisierten Erstellung von Schablonen, Negativen etc. zur Fertigung der CFK-Schaufel
• Optimierung und Erweiterung der FEM Analyse der CFK-Struktur
• Experimentelle Festigkeitsuntersuchung

Voraussetzungen zur Bearbeitung der Aufgabenpunkte sind u.a.:

• Kenntnisse im Bereich Flugtriebwerke, CFK, MATLAB und Inventor
• Interesse an eigenständiger Arbeit
• Motivation zur Einarbeitung in neue Themengebiete

Das Institut sitzt am Ludwig Bölkow Campus in Taufkirchen, bei vorhandener Ausstattung kann ein Großteil der Arbeit im Homeoffice bearbeitet werden.

Ansprechpartner: Sebastian Hawner, M.Sc.

Überarbeitung und Erweiterung der softwareseitigen Implementierung einer Auslegungsmethodik für elektrische Propulsoren

Innerhalb des wissenschaftlichen Zentrums dtec.bw bzw. dessen Subprojekt ELAPSED (Electric Aircraft Propulsion – safe, efficient, digitally linked) wird ein elektrisch angetriebener, gegenläufiger Propulsor entwickelt. Dazu wurde in einem ersten Schritt eine CFD-basierte Methodik zur automatisierten aerodynamischen Auslegung einer Fanstufe in MATLAB und Ansys CFX implementiert. Deren Ergebnis ist der Propulsor, bestehend aus den einzelnen Komponenten, wie z.B. Schaufeln, Gehäuse, etc. Diese werden anschließend am Institut gefertigt und experimentell untersucht. Die entwickelte Auslegungsmethodik enthält einige händische und damit zeit- und kostenintensive Schritte. Außerdem besteht die Implementierung aus verschiedenen Teilen in unterschiedlichen Softwareumgebungen. Daher soll die Implementierung der Auslegungsmethodik überarbeitet werden. Folgende Aufgabenpunkte können im Rahmen einer HiWi-Stelle und ggf. einer (anschließenden) Bachelor- oder Masterarbeit am Institut bearbeitet werden:

• Zusammenführung der einzelnen, implementierten Softwareteile aus unterschiedlichen Softwareumgebungen in ein übergeordnetes Programm
• Vereinfachen, Strukturieren und Optimieren der Implementierung
• Dokumentation der Implementierung
• Erweiterung der Implementierung um zusätzliche Funktionalitäten.

Voraussetzungen zur Bearbeitung der Aufgabenpunkte sind u.a.:

• Kenntnisse im Bereich VBA, C++, C#
• Interesse an eigenständiger Arbeit
• Motivation zur Einarbeitung in neue Themengebiete.

Wünschenswert sind außerdem Kenntnisse im Bereich MATLAB, Inventor sowie Triebwerksauslegung.

Das Institut Aeronautical Engineering sitzt am Ludwig-Bölkow-Campus in Taufkirchen.

Ansprechpartner: Sebastian Hawner, M.Sc.

Integration elektrischer Commuter- und Regionalflugzeuge in bestehende Flughafeninfrastruktur

Thema: Analyse der Herausforderungen für eine Integration elektrischer Regionalflugzeuge in die Flughafeninfrastruktur. Auswirkungen auf Ground Handling, Bodeninfrastruktur, ATC.

Als Bachelor-, Studien- oder Masterarbeit denkbar. 

Arbeitspakete:

• WP1: Literaturrecherche: Refueling bei Regional AC, Elektrische und Wasserstoff-Refueling Konzepte
• WP2: Bewertung der Herausforderungen für Betrieb von Commuter- und Regionalflugzeugen
• WP3: Quantitative Analyse bestehender Airfields

Anforderungen:

• Interesse am zivilen Luftverkehr
• Erste Erfahrung mit quantitiver Datenanalyse (Excel, Python, R-Studio)

Ansprechpartner: Fabian Helmchen, M.Sc.

Flugleistungsuntersuchungen am Beispiel eines hocheffizienten Segelflugzeugs

PDF-Datei BA AVL

Im Fachbereich WE 8.6 "Flugmechanik und Flugregelung" des Instituts für Aeronautical Engineering der Universität der Bundeswehr werden u.a. möglichst realitätsnahe Flugsimulationen & -algorithmen für elektrisch betriebene Luftfahrzeuge entwickelt. Im damit zusammenhängenden Projekt ELAPSED soll ein neuartiger elektrischer Antriebsstrang entwickelt und in einem Prototyp verbaut werden.
Teil der Auslegung und Zulassung eines solchen Luftfahrzeugs sind Flugleistungsuntersuchungen, bei welcher Flugleistungsparameter durch Berechnung bestimmt werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, mit dem Tool AVL (https://web.mit.edu/drela/Public/web/avl/) eine Toolchain via MATLAB/Simulink aufzubauen, mit der ausgetrimmte Zustände und die aerodynamischen Kennwerte verschiedensten Flugphasen (Cruise, Climb, Pullup, Turn, ...) in AVL generiert werden können. Dies soll am Beispiel eines hocheffizienten Segelflugzeugs umgesetzt werden, um konkrete Werte zu erhalten. Darauf aufbauend sollen die Ergebnisse evaluiert werden.

Aufgabenstellung: 
- Einarbeitung in das Programm AVL & in die Simulationsumgebung, v.a. für ausgetrimmte Flugzustände
- Entwurf & Implementierung der Toolchain in MATLAB/Simulink zur Ansteuerung von AVL für diverse Flugphasen
- Generierung, Test & Validierung der Ergebnisse aus AVL in nichtlinearer Simulation
- Dokumentation der Ergebnisse

Start: ab sofort
Dauer: 3 Monate
Einsatzort: Ludwig-Bölkow-Campus Ottobrunn
Ansprechpartner: Luca Hein, M.Sc.

Aufbau eines Optimierers zur Untersuchung von Flug- & Missionsleistungen

PDF-Datei BA Optimierer

Im Fachbereich WE 8.6 „Flugmechanik und Flugregelung“ des Instituts für Aeronautical Engineering der Universität der Bundeswehr werden u.a. möglichst realitätsnahe Flugsimulationen & -algorithmen für elektrisch betriebene Luftfahrzeuge entwickelt. Im damit zusammenhängenden Projekt ELAPSED soll ein neuartiger elektrischer Antriebsstrang entwickelt und in einem Prototyp verbaut werden.
Um bei der darauf aufbauenden Flugleistungsberechnung die Grenzen an möglichen ausgetrimmten Flugzuständen des Systems detailliert und effizient bestimmen zu können, ist ein Optimierungsalgorithmus nötig.
Ziel dieser Arbeit ist es, diese Optimierungsroutine in MATLAB/Simulink zu entwerfen und mittels eines vorhandenen Simulationsmodells zu testen. Die im Test gewonnenen Flugleistungsdaten werden für die Auslegung des dynamischen Simulationsmodells benötigt.

Aufgabenstellung:
- Erfassen des aktuellen Stands der Technik von Optimierungsroutinen
- Entwurf & Implementierung der Routine in MATLAB/Simulink
- Integration der Routine ins vorhandene Modell
- Test & Validierung der integrierten Routine
- Dokumentation der Ergebnisse

Start: ab sofort
Dauer: 3 Monate
Einsatzort: Ludwig-Bölkow-Campus Ottobrunn
Ansprechpartner: Luca Hein, M.Sc.

Anwendung des Konzepts der kontinuierlichen Integration (CI) auf Hardware-in-the-Loop-Tests

PDF-Datei CI HIL

Im Fachbereich WE 8.6 "Flugmechanik und Flugregelung" der Fakultät für Maschinenbau der
Universität der Bundeswehr auf dem Ludwig-Bölkow-Campus in Ottobrunn werden
Flugregelungsalgorithmen entwickelt und in der Praxis an verschiedenen Hardwaretypen
getestet. Das bedeutet, dass Modelle und der daraus generierte Code ständig verifiziert und
validiert werden, um Fehler vor dem Flug ausschließen zu können.
Diese Algorithmen werden vor der eigentlichen Implementierung umfangreichen Tests
unterzogen. Eine dieser Testmethoden ist die HIL-Simulation, bei der die Algorithmen nach
ihrem Entwurf in Simulink auf der Hardware in Echtzeit gegen eine simulierte Regelstrecke
getestet werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen kontinuierlichen Integrationsansatz für die HIL-Simulation mit Hilfe von Jenkins zu entwickeln. Durch eine Automatisierung der
Codegenerierung und -testung ist ein großes zeitliches Einsparpotential vorhanden.

Aufgabenstellung:
- Kenntnisse über den modellbasierten Softwareentwicklungsprozess
- Installation und Einrichtung der Jenkins-Umgebung für die Automatisierung des HIL Prozesses
- Konfiguration von Modellen, E/A-Kommunikation, Schnittstellen und Einsatz im HIL
- Test und Erprobung der Systemkomponenten
- Dokumentation

Start: ab sofort
Dauer: 3 Monate
Einsatzort: LBC Ottobrunn
Ansprechpartner: Purav Panchal, M.Sc.

Processor-in-the-Loop-Simulation eines prozessorgesteuerten Flugreglers mit Lauterbach Debugger

PDF-Datei PIL

Im Fachbereich WE 8.6 "Flugmechanik und Flugregelung" der Fakultät für Maschinenbau an der Universität der Bundeswehr auf dem Ludwig-Bölkow-Campus in Ottobrunn werden nichtlineare Flugregelungsalgorithmen entwickelt und getestet.
Diese Algorithmen werden vor der eigentlichen Implementierung umfangreichen Tests unterzogen. Eine dieser Testmethoden ist die PIL-Simulation, bei der die numerische Gleichwertigkeit des Codes mit den normalen Simulationsergebnissen überprüft wird. Ein Debugger hilft bei der Verfolgung von Daten aus dem Prozessor. Ziel dieser Arbeit ist es, in MATLAB eine Umgebung für die PIL-Simulation mit dem Lauterbach Debugger zu schaffen und Daten zur Codeabdeckung eines prozesskonformen Flugreglers zu sammeln.

Aufgabenstellung:
- Kenntnisse über den modellbasierten Entwicklungsprozess
- Einarbeitung in die Funktionalität des Debuggers und die Trace32Software
- Generierung von Testfällen und Durchführung von PIL-Simulationen des Flugreglers
- Erfassung und Analyse der Codeabdeckung
- Dokumentation

Start: ab sofort
Dauer: 3 Monate
Einsatzort: LBC Ottobrunn
Ansprechpartner: Purav Panchal, M.Sc.

Erweiterung und Verbesserung eines INDI-Reglers für ein eVTOL mit einer Schubvektorsteuerung

PDF-Datei BA INDI-Erweiterung

In der WE 8.6 „Flugmechanik und Flugregelung“ wird an einem konzeptionellen elektrischen Vertical-Take-Off-and-Landing Vehikel (eVTOL) geforscht. Das 8 kg schwere Flugzeug ist als Starrflügler konzipiert und besitz zwei Impeller mit einer Schubvektorsteuerung am Haupttriebwerk, welches auch gleichzeitig zwei Schubdüsen an den Flügelspitzen versorgt. Die Mission des eVTOLs ist es, ein Lagebild eines Waldbrandes an einen Operator in sicherer Entfernung über ein eingebautes Kamerasystem zu liefern. Die Regelung des eVTOLs wird dabei mit einer inkrementellen nichtlinearen dynamischen Inversion (INDI) abgebildet.
Ziel der Arbeit ist es, auf Grundlage des vorhanden Reglers Erweiterungen zu implementieren, die die Robustheit des Reglers bzw. die Dynamik des Vehikels erhöhen. Dabei soll in der Simulation nachgewiesen werden, dass äußere Einflüsse aber auch interne Unsicherheiten, wie beispielsweise Sensorrauschen oder Modelunsicherheiten, zu keinem Zeitpunkt ein instabiles Flugverhalten verursachen.

Aufgabenstellung
- Einarbeitung in das Themenkomplex der nichtlinearen Regelungsstrategien
- Adaptierung und Einarbeitung in verschiedene Methodiken (z.B. High Order Reference Model, AMS, RMS) zur Erweiterung der Regelstruktur
- Nachweis der stabilen Regelung in der Simulation
- Dokumentation der Ergebnisse

Start: ab sofort
Dauer: 3 Monate
Einsatzort: LBC Ottobrunn
Ansprechpartner: Hptm. Denis Surmann, M.Sc.

Entwicklung eines Multirotor-Flugreglers mithilfe von Reinforcement Learning

PDF-Datei ReinforcementLearning Quadcopter

Im Fachbereich Flugmechanik und Flugregelung des Instituts für Aeronautical Engineering der Universität der Bundeswehr am Ludwig Bölkow Campus in Ottobrunn werden Flugregelungsalgorithmen entwickelt und getestet.
Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Attitude-Hold Flugregler für ein Multirotor-Fluggerät (X8 Konfiguration) mithilfe von Machine Learning (ML), speziell Reinforcement Learning (RL), gefunden werden. Zunächst sollen weniger komplexe RL-Algorithmen (z.B. Q-Learning) in einer Multirotor-Simulation getestet werden, die bei entsprechendem Fortschritt durch komplexere Algorithmen ersetzt werden können (z.B. Policy Gradient). Das Simulationsmodell liegt in MATLAB/Simulink bereits vor und muss für die Verwendung mit RL geringfügig angepasst werden. Der mit RL gefundene Flugregler soll mit einem klassisch ausgelegten Regler verglichen werden. Schließlich soll das Verfahren durch ein Realflugversuch im Labor validiert werden.

Aufgabenstellung:
- Einarbeitung ins Thema Machine Learning und Reinforcement Learning mit MATLAB
- Anpassung des Simulationsmodells und Integration von RL-Algorithmen
- Auswahl einer ML- Experiment-Architektur: Trainings- und Teststruktur für Flugregler
- Training und Validierung von RL-Algorithmen (Q-Learning, optional: Policy Gradient)
- Vergleich mit klassisch ausgelegtem Regler (Simulation)
- Validierung des Reglers im Flugversuch
- Dokumentation

Start: ab sofort
Dauer: 3 Monate
Einsatzort: LBC Ottobrunn
Ansprechpartner: Benjamin Kelm, M. Sc.

AneMAV - Vertikalwind-Schätzung mithilfe Multi-Rotor MAVs

PDF-Datei VerticalWindEstimation

Im Fachbereich Flugmechanik und Flugregelung des Instituts für Aeronautical Engineering der Universität der Bundeswehr am Ludwig Bölkow Campus in Ottobrunn werden Flugregelungsalgorithmen entwickelt und getestet.
Im Rahmen dieser Arbeit soll der Vertikalwind aus Flugdaten eines Micro Aerial Vehicles (MAV) geschätzt werden. Der Anwendungsfall dafür ist vielfältig: Von der Thermik-Messung für den Luftsport bis hin zur Verbesserung von konvektiven Atmosphärenmodellen.
Dazu soll zunächst ein Versuchsaufbau zur Vertikalwind-Simulation aufgebaut werden. Für unterschiedliche Windgeschwindigkeiten werden dann die gesamten Sensordaten eines Quadrocopters aufgenommen. In der Auswertung sollen der klassischen analytischen Methode auch Machine Learning (ML) Verfahren (z.B. Lineare Regression, Artificial Neural Networks) gegenübergestellt werden. Schließlich soll eine Validierung der Verfahren mit Freiflug-Daten durchgeführt werden.

Aufgabenstellung
- Einarbeitung ins Thema: Literatur-Recherche, Machine Learning Basics
- Auslegung und Aufbau des Vertikalwind-Simulators
- Vermessung des Vertikalwind-Simulators
- Durchführung einer Flug-Messreihe für unterschiedliche Windgeschwindigkeiten
- Auswahl geeigneter klassischer und ML-Verfahren zur Vertikalwindschätzung
- Anwendung, Auswertung und Vergleich der gewählten Verfahren
- Validierung der Verfahren im Freiflug
- Dokumentation

Start: ab sofort
Dauer: 3 Monate
Einsatzort: LBC Ottobrunn
Ansprechpartner: Benjamin Kelm, M. Sc.