Digital test rig and its application to virtual certification

Diese Dissertation befasst sich mit den wesentlichen Herausforderungen bei der Gewährleistung von Sicherheit, der Kostenkontrolle sowie der Einhaltung von Zeitplänen im Test- und Zertifizierungsprozess moderner, komplexer Luftfahrtsysteme. Der zentrale Beitrag der Arbeit ist die Untersuchung der Virtuellen Zertifizierung als innovativer Ansatz zur Reduzierung der Abhängigkeit von traditionellen, kostspieligen und zeitaufwändigen physischen Tests durch den Einsatz digitaler Technologien wie Digital Twins (DTw) und Engineering-Simulatoren (EngSims). Der Fokus der Forschung liegt auf der Erstellung und Validierung eines Digital Twins des Iron Bird (IB), eines physischen Prüfstands zur Erprobung von Flugsteuerungssystemen. Damit zeigt die Arbeit, wie ein datengetriebener Ansatz den Entwicklungs- und Zertifizierungsprozess von Luftfahrzeugen erheblich verbessern kann. Wesentliche Ergebnisse und Beiträge der Dissertation: • Entwicklung eines Digital Twins des Iron Bird: Durch die Kombination physikbasierter und datengetriebener Modelle wurde ein hochpräziser Digital Twin (DTw) des Iron-Bird-Prüfstands entwickelt, der dessen hydraulische, mechanische und Flugsteuerungssysteme abbildet. Dieser DTw wird kontinuierlich mit Echtzeit-Sensordaten des physischen Prüfstands aktualisiert und gewährleistet so eine hochgenaue virtuelle Repräsentation, die die Vorhersagefähigkeit der Modelle verbessert und die Lücke zwischen Simulation und Realität verringert. • Integration in Engineering-Simulatoren: Die validierten Digital-Twin-Modelle (DTw) für Flaperon- und Höhenleitwerksaktuatoren wurden in einen Engineering-Simulator (EngSim) integriert. Dadurch wurden „Pilot-in-the-loop“-Virtuellflüge ermöglicht, bei denen Piloten mit einer hochrealistischen simulierten Umgebung interagieren konnten. Die Studie zeigt, dass die aktualisierten Modelle die Aktuatordynamik, einschließlich Echtzeitreaktionen und Nichtlinearitäten, präzise abbilden. • Validierung virtueller Tests: Die Dissertation beinhaltet eine Fallstudie, in der ein Kurzzeit-Pitch-Response-Test im EngSim mit dem gleichen Test an einem realen Luftfahrzeug gemäß MIL-STD-1797A verglichen wurde. Die Ergebnisse zeigen eine starke Übereinstimmung zwischen Simulation und realen Flugdaten, wobei die Simulation innerhalb der Toleranzgrenzen des EASA CS-FSTD(A)-Standards blieb. Dies liefert überzeugende Belege dafür, dass virtuelle Testdaten physische Tests ergänzen oder teilweise ersetzen können. • Effizienz und Kostenvorteile: Die Studie hebt die erheblichen Vorteile des DTw-Ansatzes hinsichtlich Effizienz und Kostenreduktion hervor. Beispielsweise konnten Abstimmungstests des Flugsteuerungssystems am Iron Bird, die traditionell drei Wochen und zehn Tests erforderten, mit dem DTw-Ansatz in nur zwei Tagen und drei Tests durchgeführt werden. Dies zeigt, dass digitale Transformation Entwicklungszyklen drastisch verkürzen und die Kosten physischer Tests (bis zu 8.000 USD pro Flugstunde) erheblich reduzieren kann. • Zukünftige regulatorische Implikationen: Die Forschung betont die Notwendigkeit regulatorischer Anpassungen zur Integration digitaler Validierungsmethoden. Es wird vorgeschlagen, neue Means of Compliance (MOC) für die virtuelle Zertifizierung zu definieren, um einen klaren regulatorischen Rahmen zu schaffen. Die Ergebnisse bilden eine Grundlage für einen Paradigmenwechsel hin zu einer agileren, datengetriebenen und kosteneffizienteren Zertifizierung von Luftfahrzeugen. Diese Dissertation zeigt, dass Digital Twin- und Digital Thread-Technologien die Zertifizierung von Luftfahrzeugen revolutionieren können, indem sie eine zuverlässige und effiziente Alternative zu traditionellen physischen Tests bieten. Durch die Überbrückung der Lücke zwischen virtuellen und realen Umgebungen legt diese Arbeit den Grundstein für eine Zukunft, in der die Entwicklung von Luftfahrzeugen schneller, sicherer und kosteneffizienter erfolgt.