Militärwissenschaft und die USA
Nachdem soeben wieder ein Test mit der neuen US-Hyperschallrakete schief gegangen war, während China, Russland und sogar der Iran mit wesentlich kleineren Budgets schon kriegserprobte Systeme im Einsatz haben, gibt es jetzt auch Sorgen um den neuesten Tarnkappenbomber der USA.
Ein von chinesischen Forschern entwickeltes, leistungsstarkes Simulationswerkzeug für die Luft- und Raumfahrt soll Schwachstellen im Design des modernsten Tarnkappenbombers der USA, der B-21 Raider, aufgedeckt haben. Berichtet die South China Morning Post in ihrer Wissenschaftskolumne.
Die Software
Das „All-in-One“-Softwaresystem PADJ-X, basierend auf „adjungierter Optimierungstechnologie„, eine hoch-effiziente Methode, um das Gradienten-Feedback für komplexe Designs zu berechnen, wurde letzten Monat in einem Artikel der Fachzeitschrift Acta Aeronautica et Astronautica Sinica vorgestellt, meldet der Artikel.
Das System, das möglicherweise die erste vollständig integrierte, multidisziplinäre Plattform für die Entwicklung von Tarnkappenflugzeugen darstelle, verwende einen algorithmischen Ansatz, um die optimale Richtung für alle Parameter gleichzeitig zu berechnen und so den Rechenaufwand drastisch zu reduzieren. Mithilfe von PADJ-X analysierte das Forschungsteam die Konfiguration der B-21 und fand laut dem Artikel heraus, dass der Bomber von Northrop Grumman – der sich derzeit in intensiven Testflügen der US Air Force befindet – in puncto Aerodynamik und Stabilität Defizite aufweisen könnte.
Huang Jiangtao vom China Aerodynamics Research and Development Centre und sein Team beschrieben in dem Artikel mehrere Simulationen, darunter die der Stealth-Drohne X-47B der US Navy, deren Entwicklung 2015 eingestellt wurde, die aber wie die B-21 weiterhin geheim ist.
Die Forscher, die nicht angaben, welche Daten sie für ihre Analyse verwendet haben, erklärten, 288 Parameter in der Simulation eines B-21-ähnlichen Layouts angewendet zu haben. Die aerodynamische Optimierung erhöhe das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand des Flugzeugs um 15 Prozent und reduzierte die Stoßwelle, also die extrem starke Druckwelle, die entsteht, wenn ein Flugzeug mit Überschallgeschwindigkeit fliegt, typischerweise beim Durchbrechen der Schallmauer, signifikant. Das Nickmoment verbesserte sich laut der Studie ebenfalls von 0,07 auf -0,001. Je näher dieser Wert an Null liegt, desto ruhiger ist der Flug. Bei einem positiven Nickmoment steigt die Flugzeugnase, bei einem negativen sinkt sie.
Ein Nickmoment nahe Null ermöglicht es dem Flugzeug, ohne Eingriff des Piloten am Steuerknüppel einen stabilen Horizontalflug beizubehalten, was die natürliche Trimmfähigkeit und die Treibstoffeffizienz verbessert. In Kombination mit dem erhöhten Auftrieb und dem reduzierten Wellenwiderstand deutet das optimierte B-21-Design laut Huang in der Studie auf ein hohes Potenzial für eine größere Reichweite hin.
„Zukünftige Kampfszenarien erfordern eine höhere integrierte Leistungsfähigkeit von Flugzeugkonfigurationen, wodurch eine stärkere interdisziplinäre Verknüpfung im Designprozess notwendig wird“, fügte er hinzu.
PADJ-X, das über umfassende Schutzrechte verfüge, integriere fünf wichtige Disziplinen: Aerodynamik, Antrieb, Elektromagnetik, Infrarotsignatur und Überschallknall. Es ermöglicht die umfassende Optimierung aerodynamischer Flugzeugkonfigurationen.
Die Anforderungen an einen Hochleistungs-Kampfjet stehen oft im Widerspruch zueinander: Eine flache, für Tarnkappeneigenschaften optimierte Form könnte den Luftwiderstand erhöhen, während eine Reduzierung durch dünnere Tragflächen die strukturelle Festigkeit beeinträchtigen könnte. Traditionelle Konstruktionsmethoden basieren auf kostspieligen und zeitaufwändigen iterativen Tests, die oft nur lokale Optimierungen liefern, während die Einzelprüfung der Tausenden von Variablen selbst die leistungsstärksten Supercomputer überfordern würde.
Im Gegensatz dazu führt das PADJ-X-Modell eine Sensitivitätsvariable ein, die sich mit den Konstruktionszielen ändert und die Parameter einer Konstruktion invers, also nach einer mathematischen Funktion, ableiten kann. Dies verbessere die Recheneffizienz und -stabilität und verhindert gleichzeitig Abweichungen in den Berechnungen, so die Veröffentlichung. Laut den Forschern zeichne sich das System durch seine interdisziplinäre Koordination aus – es findet beispielsweise den optimalen Kompromiss zwischen einer schärferen Form zur Reduzierung des Luftwiderstands und den abgerundeten Kurven, die die Radarreflexion für Tarnkappeneigenschaften minimieren.
In der X-47B-Simulation, so der Artikel über den Bericht weiter, verwendeten die Forscher eine Konfiguration, die der US-amerikanischen Tarnkappendrohne ähnelte, und führten eine gekoppelte Optimierung von Aerodynamik, Tarnkappeneigenschaften und Antrieb durch. Das PADJ-X-Modell reduzierte den Luftwiderstandsbeiwert um etwa 10 Prozent und verringerte den durchschnittlichen Radarquerschnitt (RCS) nach vorn von 13,55 Quadratmetern auf lediglich 1,33 Quadratmeter, bei gleichzeitig leichter Verbesserung der Lufteinlassleistung.
Der vordere RCS – gemessen im kegelförmigen Bereich vor der Flugzeugnase, der dem feindlichen Radar am stärksten ausgesetzt ist – repräsentiert die Größe des Radarschattens des Flugzeugs. Eine zehnfache Reduzierung bedeutet einen erheblichen Fortschritt in der Tarnkappenfähigkeit. Da die tatsächlichen Parameter der B-21 und der X-47B geheim sind, bleibt unklar, ob die mit PADJ-X erzielten Ergebnisse den spezifischen Missionsanforderungen oder taktischen Zielen des US-Militärs entsprechen.
Weltweit entwickeln Aerodynamikunternehmen und Forschungseinrichtungen seit Jahrzehnten aktiv adjungierte, also mathematische, Optimierungsplattformen. Den Anfang machte die FUN3D-Plattform der NASA in den 1990er-Jahren, die unter anderem beim X-59 Low-Boom Flight Demonstrator zum Einsatz kam.
Das deutsche Luft- und Raumfahrtforschungszentrum hat eine eigene Plattform auf Basis der Solver FLOWer und TAU entwickelt, während das französische ONERA Werkzeuge mit dem Solver elsA entwickelt hat.
Laut den chinesischen Forschern decken diese Plattformen jedoch nicht so ein breites Spektrum ab wie PADJ-X, und ihre Funktionsweise erfordert häufig manuelle Anpassungen, wenn der Optimierungsprozess von einer Disziplin auf eine andere übertragen wird. Die neue Technologie, die PADJ-X antreibt, könnte die Flugzeugentwicklung beschleunigen, den Bedarf an Windkanaltests verringern, die Prototypenkosten senken und es künftigen Drohnen und bemannten Flugzeugen ermöglichen, größere Reichweiten und überlegene Leistungen zu erzielen.
Fazit
Es ist zu vermuten, dass frühe Versionen das Geheimnis für die viel schnellere Entwicklung im Bereich von chinesischen Flugzeugen der 5. und 6. Generation sind, gegenüber den Entwicklungen in den USA.
Bild: Wikipedia zum B-21 Raider.
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