Loading…
Formalization of flight mechanical CS-25 requirements for assessments using flight simulation in preliminary aircraft design
Krishnamurthy, Vikram Yadav
Institute of Aeronautics and Astronautics: Scientific Series
For the development of new aircraft, manufacturers already employ numerical computation methods with increasing modelling accuracy in the early design phases, benefiting from the increasing computational power available today. These methods are utilized by the system design departments to create high-fidelity flight simulation models integrated with flight control systems. These models are then used to simulate flight tasks, assessing the impact of design decisions on the aircraft's flight mechanics, and ensuring compliance with the certification specifications. Conducting thorough and accurate assessments of these requirements using sophisticated models can significantly enhance the efficiency of the design process while reducing development costs and risks.
However, directly using the certification specifications for flight simulations is not feasible. First, the requirements and their corresponding criteria need to be derived and formalized, then transformed into mathematical equations and ultimately implemented into software algorithms. Although there are existing processes to formalize and assess some requirements through simulations, these often focus on simplified and task-specific flight simulation models. As a result, adapting the models to the increasing knowledge about the aircraft and the growing level of detail in the requirements during the development process typically involves a significant amount of effort.
This is where this thesis comes in. The objective is the development of a process for deriving and validating flight mechanical requirements derived from certification specifications using automated and flight simulations with a model-independent interface. The validation, implemented using software classes, of flight mechanical models at different levels of maturity, which meet certain minimum requirements, is carried out through the interface. This approach allows the utilization of high-accuracy models for more precise evaluations. The implementation of software classes enables efficient automation and scalability of the validation process, while also facilitating the reuse of these classes for different models, resulting in time and resource savings. The process is demonstrated by examples from the development of large transport aircraft to show compliance with requirements that are specified in CS-25.
The work begins with an introduction to flight simulation and an overview of relevant regulations. Subsequently, a method is shown to derive and formalize flight mechanical requirements from these regulations. The class-based software architecture, developed to implement these formalized requirements, is then explained, including the necessary interfaces to the flight simulation models. The subsequent sections of the work describe the implementation and integration of these classes in the software tool MITRA (Multiobjective Evaluation of Preliminary Aircraft Designs), developed for the flight mechanical evaluation of preliminary aircraft designs. To illustrate the process, examples of formalized requirements and their verification with MITRA are shown.
Für die Entwicklung neuer Flugzeuge nutzen Hersteller bereits in frühen Entwurfsphasen numerische Berechnungsverfahren, die dank der heutigen Rechenleistung immer präziser werden. Die Fachabteilungen in der Flugphysik und in der Systementwicklung setzen solche Verfahren ein, um hochwertige Flugsimulationsmodelle in Verbindung mit Flugregelungssystemen zu erstellen. Mit diesen Modellen werden Flugaufgaben simuliert, um die Auswirkungen von Entwurfsentscheidungen auf die flugmechanischen Eigenschaften zu überprüfen. Damit soll sichergestellt werden, dass die flugmechanischen Anforderungen aus den Bauvorschriften (engl. certification specification) erfüllt werden. Eine frühzeitige und genaue Untersuchung dieser Anforderungen mit hochwertigen Modellen kann die Effizienz des Entwurfsprozesses erheblich steigern und gleichzeitig die Kosten und Risiken reduzieren.
Die direkte Verwendung der Bauvorschriften für Flugsimulationen ist jedoch nicht möglich. Vorab müssen Anforderungen und die zugehörigen Kriterien abgeleitet und formalisiert werden, um sie in mathematische Gleichungen umzuwandeln und schließlich in Softwarealgorithmen zu implementieren. Obwohl bereits Prozesse existieren, um einige Anforderungen zu formalisieren und mit Simulationen zu überprüfen, beschränken sich diese oft auf aufgabenspezifische und vereinfachte Flugsimulationsmodelle. Das führt dazu, dass eine Anpassung der Modelle an den im Entwicklungsprozess zunehmenden Kenntnisstand zum Flugzeug und an die detaillierter werdenden Anforderungen mit erheblichem Aufwand verbunden ist.
An dieser Stelle setzt die vorliegende Arbeit an. Ziel ist die Entwicklung eines modularen und wiederverwendbaren Prozesses zur Ableitung und Überprüfung flugmechanischer Anforderungen aus Bauvorschriften mithilfe automatisierter Flugsimulationen mit modellunabhängiger Schnittstelle. Die Implementierung der Überprüfung erfolgt mittels Softwareklassen. Die Überprüfung von flugmechanischen Modellen unterschiedlicher Reifegrade, die gewisse Mindestvoraussetzungen erfüllen, erfolgt über die Schnittstelle. So können auch hochgenaue Modelle für eine präzisere Bewertung herangezogen werden. Die Implementierung in Softwareklassen ermöglicht eine effiziente Automatisierung und Skalierung der Überprüfung und erlaubt die Wiederverwendung der Klassen für verschiedene Modelle, was Ressourcen und Zeit einspart. Demonstriert wird der Prozess mit Beispielen aus der Entwicklung von Verkehrsflugzeugen, deren Bauvorschriften in der CS-25 definiert sind.
Die Arbeit beginnt mit einer Einführung in die Flugsimulation und einer Darstellung relevanter Bauvorschriften. Anschließend wird ein Verfahren vorgestellt, um flugmechanische Anforderungen aus den Bauvorschriften abzuleiten und zu formalisieren. Danach wird die klassenbasierte Softwarearchitektur erläutert, die zur Umsetzung dieser formalisierten Anforderungen entwickelt wurde. Dabei werden auch die notwendigen Schnittstellen zu den Flugsimulationsmodellen beschrieben. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird die Integration der Klassen im Softwarewerkzeug MITRA (Multiobjective Evaluation of Preliminary Aircraft Designs) beschrieben, das für die flugmechanische Bewertung von Flugzeugvorentwürfen entwickelt wurde. Abschließend werden zur Veranschaulichung des Prozesses Beispiele von formalisierten Anforderungen und deren Überprüfung mit MITRA gezeigt.
