Ein Forscherteam der University of Illinois Urbana-Champaign hat in einer bio-inspirierten Studie erforscht, wie sich variable Steifigkeit auf den Auftrieb auswirkt. Bisher konzentrierten sich Studien meist auf feste Positionen von Klappen und ihre Auswirkungen auf den Luftstrom. Indem die Forscher nun jedoch erstmals variable Steifigkeiten untersuchten, konnten sie interessante Ergebnisse erzielen. In der Studie „Bio-inspired variable-stiffness flaps for hybrid flow control, tuned via reinforcement learning“, die von Nirmal J. Nair und Andres Goza verfasst wurde, untersuchten die Wissenschaftler die Auswirkungen der Steifigkeit auf den Auftrieb eines Flügels.
Wie der Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der UIUC, Andres Goza, erklärte, haben frühere Studien gezeigt, dass Klappen mit einer gewissen Steifigkeit den Auftrieb in bestimmten Regimen erhöhen können. Doch die Frage, die sich die Forscher stellten, war, wie viel Nutzen eine variable Steifigkeit bringen würde. Die Ergebnisse zeigten, dass eine variable Steifigkeit einen großen Vorteil bringt. „Unsere Klappenkonstruktion mit variabler Steifigkeit war um 136% besser als keine Klappe und um 85% besser als die bestmögliche Einzelsteifigkeit aus einer früheren Studie“, so Goza.
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Um die variable Steifigkeit zu modellieren, nutzten Goza und sein Student Nirmal Nair einen Klappen-Aktuator an einem Flügel, der über eine Torsionsfeder mit dem Flügel verbunden war. Diese Hybridsteuerung ermöglichte eine Änderung der Steifigkeit im Laufe der Zeit. Dabei muss betont werden, dass die Klappe selbst nicht durchhängen oder sich biegen kann, die Steifigkeit bezieht sich lediglich darauf, wie eng die Torsionsfeder die Klappe hält.
In der Simulation trainierten die Forscher einen Controller, der einen spezifischen Wert auf der Steifigkeitsskala von sehr steif bis sehr lose bestimmte. Der Controller wurde mittels reinforcement learning entwickelt und darauf trainiert, die Steifigkeit so zu verändern, dass der Auftrieb auf dem Flügel verbessert wird. Wie Goza erläuterte, haben sie zur Steifigkeitsänderung variable Steifigkeitsaktoren genutzt. Die Änderungen wurden im Verlaufe des Experiments aufgezeichnet und mit erfolgreichen Simulationen mit fester Steifigkeit verglichen.
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Das Ergebnis: Durch große Klappenschwingungen konnten Verbesserungen des Auftriebs erreicht werden, die bis zu vier Größenordnungen umfassten. Während der ersten neun Zeiteinheiten versuchte der Controller verschiedene Steifigkeiten und trainierte so sein Verhalten. In den folgenden Zeiteinheiten entschied der Controller, wann er die Steifigkeit anpassen muss, um den Auftrieb entsprechend zu erhöhen.
Die Implementierung einer solchen Steuerung ist allerdings äußerst komplex, wie Goza betont: „Wenn sich die Steifigkeit ändert, bewegt sich die Klappe und verändert den Luftfluss um sie herum, was eine komplexe Kopplung darstellt“, so Goza. „Jetzt wird die Klappe unterschiedlich auf die Veränderungen des Luftstroms reagieren, was wiederum zu neuen Veränderungen des Stromfeldes führt. Diese Wechselwirkungen simulieren wir vollständig. Wir berücksichtigen alle Wechselwirkungen zwischen der strukturellen Bewegung und der Antwort auf den Auftrieb. Das ist der Schlüssel zur Entwicklung eines genauen Controllers. Wir müssen in der Lage sein zu sagen, wenn ich die Steifigkeit ändere, dann wird es zu dieser Wechselwirkung kommen und ich nutze das, um einen besseren Auftrieb zu erzielen“.
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Goza betonte, dass die Forschung besonders für unbemannte Flugzeuge mit an Bord befindlichen Computern interessant sei. Diese müssen sehr wendig sein, um beispielsweise in Naturkatastrophen leichter Ziele erreichen zu können. „Die Rechenleistung ist dabei von großer Bedeutung, da wir durch die Veränderung der Steifigkeit über vier Grö
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