Wissenschaftliche*r Mitarbeiter*in Aerostrukturelle Optimierung von Tragflügeln und aerodynamische Optimierung von Rümpfen für Wasserstoff-betriebene Transportflugzeuge

Stellenausschreibung für die Position Wissenschaftliche*r Mitarbeiter*in (m/w/d, Vollzeit)

zum Thema „Aerostrukturelle Optimierung von Tragflügeln und aerodynamische Optimierung
von Rümpfen für Wasserstoff-betriebene Transportflugzeuge“

(ab 01. Januar 2022 - befristet für drei Jahre)

Hintergrund
Derzeit findet in der Luftfahrt eine
umfassende Umstellung auf einen
nachhaltigeren, umweltfreundlicheren
und effizienteren Luftverkehr statt, um die
ehrgeizigen Ziele der International Air
Transport Association (IATA) zu
erreichen, die CO2-Emissionen des
Luftverkehrs bis 2050 um 50 % zu
senken. Wasserstoff hat sich als vielversprechende Energiequelle herauskristallisiert und stellt eine
langfristige Option als Kraftstoff für die Luftfahrt dar. Neben den rein technologischen Aspekten muss für
eine ganzheitliche Bewertung auch die Integration von Wasserstoff in die gesamten
Flugzeugsentwurfsprozess für wasserstoffangetriebener Flugzeuge durchgeführt werden.
Die Entwicklung der erforderlichen Systeme zur Speicherung und Verteilung von Wasserstoff im Flugzeug
ist ein notwendiger Schritt zur Realisierung derartiger Flugzeugkonfigurationen. Da flüssiger Wasserstoff
(LH2) aufgrund seines hohen Volumens und Lagerungsdrucks sowie der erforderlichen Isolierung mehr
nicht sinnvoll in den Tragflächen untergebracht werden kann, müssen neue Lösungen für die Integration
von Flüssigwasserstofftanks in den Rumpf gefunden werden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten in Bezug
auf die Gestaltung von Flügel und Rumpf. Der bisher für den Treibstoff vorgesehene Platz im Flügel kann
nun für die Neugestaltung und Optimierung der Flügelstruktur für Flügel mit hoher Streckung genutzt
werden, die zusätzlich zur Verringerung des Luftwiderstands natürliche laminare Strömung (NLF) oder
hybride laminare Strömungskontrolltechnologien (HLFC) enthalten sollen.
Die Form konventioneller Transportflugzeuge, die klassische Röhren-Flügel-Konfiguration, soll
beibehalten werden. Bei LH2-Flugzeugen werden wahrscheinlich sowohl die Länge als auch der
Durchmesser des Rumpfes zunehmen, um die LH2-Tanks unterzubringen. Der Rumpf kann bei
vollturbulenten Flugzeugen im Reiseflug bis zu 50% des gesamten Profilwiderstands (parasitärer
Widerstand) erzeugen. Es wird jedoch geschätzt, dass der Beitrag des turbulenten Rumpfes zum
Profilwiderstand des Flugzeugs auf mehr als 70% ansteigt, wenn die laminaren Bereiche an den Flügeln
und den Leitwerken deutlich ausgeweitet werden können.

Aufgabenbeschreibung
Im Rahmen eines großen Forschungskonsortiums forscht die TU Braunschweig an der aero-strukturellen
Auslegung von Wasserstoffflugzeugen. Die Hauptziele dieses Forschungsvorhabens sind:
1) die Entwicklung von Werkzeugen zur Optimierung des Flügelentwurfs unter aerodynamischen und
strukturellen Aspekten. Auf der aerodynamischen Seite liegt der Schwerpunkt auf der Verringerung des
Luftwiderstands, insbesondere durch die Aufrechterhaltung einer laminaren Strömung am Flügel unter
Verwendung von Hybrid Laminar Flow Control (HLFC) oder Natural Laminar Flow (NLF) Ansätzen. Auf
der strukturellen Seite werden verschiedene Aspekte für eine genauere Gewichtsvorhersage für
hochflexible Flügel vertieft, wie z.B. die Bewertung geeigneter Entwürfe und die Einbeziehung von
Sekundärstrukturen wie Steuerflächen in die Gewichtsbetrachtung auf der Grundlage physikalisch

basierter Methoden. Schließlich sollen die Entwurfsansätze der beiden Einzeldisziplinen genutzt werden,
um im Rahmen einer aerostrukturellen Optimierung neue Flügelentwürfe zu erstellen.
2) aerodynamische Optimierung der Röhren-Flügel-Konfiguration mit integriertem Wasserstofftank in
Synergie mit widerstandsarmen Rumpfformen, die den Entwurfsrandbedingungen und -anforderungen
genügen. Hierzu soll eine auf einem genetischen Algorithmus basierende Optimierung in Verbindung mit
einem dreidimensionalen aerodynamischen Panel-Solver mit BL-Solver und einer Transitionsvorhersage
unter Verwendung von Granville-Kriterien für den Rumpfentwurf eines Wasserstoff-Mittel-/
Langstreckenflugzeugs eingesetzt werden. Diese Aufgabe befasst sich mit dem konzeptionellen Design
des Rumpfes für LH2-Flugzeuge. Der Rumpf weist eine Reihe von Merkmalen auf, die für die Klasse und
den Einsatz der Flugzeugkonfiguration spezifisch sind.

Allgemeine Qualifikationen

Bewerber*innen müssen einen Master-Abschluss einer anerkannten Universität oder Hochschule im
Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik, des Maschinenbau, der angewandter Physik oder verwandten
Disziplinen bzw. verwandten Fachgebiet besitzen. Ferner werden sehr gute akademische Leistungen
sowie einen fundierten Hintergrund in den MINT-Fächern Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und
Technik erwartet. Ferner ist eine selbstständige Arbeitsweise, Interesse an neuen Fragestellungen, eine
intrinsische Motivation für unbekannte Themenfelder, wissenschaftliche Kreativität sowie ausgezeichnete
Kommunikationsfähigkeiten in der englischen Sprache (schriftlich und mündlich) für sie Stelle von
Bedeutung. Internationales Engagement und Teilnahme an wettbewerbsfähigen Forschungsprojekten
sind von Vorteil.

Spezielle Qualifikationen

Optimierungsmethoden sind von Vorteil



Die Einstellung soll ab 01. Januar 2022 erfolgen. Die Stelle ist zunächst auf die Dauer von drei Jahren
befristet. Eine anschließende Weiterbeschäftigung zur Realisierung einer Promotion ist möglich. Die
Vergütung erfolgt je nach Aufgabenübertragung und Erfüllung der persönlichen Voraussetzungen bis
TV-L EG 13. Die Stelle ist teilzeitgeeignet.
Die TU Braunschweig strebt eine Erhöhung ihres Frauenanteils an und fordert daher Frauen ausdrücklich
zur Bewerbung auf. Schwerbehinderte werden bei gleicher Eignung bevorzugt. Ein Nachweis ist
beizufügen. Zu Zwecken der Durchführung des Bewerbungsverfahrens werden personenbezogene
Daten gespeichert.

Bewerbungsunterlagen:
Ihre Bewerbungsunterlagen in deutscher oder englischer Sprache liegen als ein kombiniertes pdf-
Dokument vor, welches aus Anschreiben, lückenlosem tabellarischen Lebenslauf, einem Notenspiegel
und einem Exemplar Ihrer Masterarbeit oder vergleichbaren studentischen Abschlussarbeiten besteht.

Bitte richten Sie Ihre Bewerbung bis zum 30.09.2021 (frühere Bewerbungen sind willkommen) an:

Dr. Camli Badrya
TU Braunschweig, Institut für Strömungsmechanik
Hermann-Blenk-Str. 37, 38108 Braunschweig
eMail: c.badrya@tu-braunschweig.de

Dr. Matthias Haupt
TU Braunschweig, Institut für Flugzeugbau und Leichtbau
Hermann-Blenk-Str. 35, 38108 Braunschweig, Germany
eMail: m.haupt@tu-braunschweig.de

Bewerbungskosten können nicht erstattet werden. Bei weiteren Fragen können Sie uns gern telefonisch
unter +49 531 391 94269 (Dr. Badrya) oder unter +49 531 391 9917 (Dr. Haupt) kontaktieren.

Als Teil des Niedersächsischen Forschungszentrums für Luftfahrt (NFL) orientiert sich unsere Arbeit nach
folgendem

Leitbild
Wir sind ein führender Forschungsstandort für die Luftfahrt in Deutschland mit
exzellenter Forschung und Ausbildung. Wir schaffen Wissensvorsprung in der Luft-
und Raumfahrt.

Wissenschaftliche Exzellenz und Professionalität leiten unser Handeln. Durch
unsere Forschung befriedigen wir die Mobilitätsbedürfnisse der Gesellschaft –
aktuell und für die Zukunft. Umweltverträglichkeit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit
stehen dabei im Vordergrund.

Unsere Forschungsergebnisse richten wir an Industrie, Wissenschaft und
Gesellschaft. Unsere Ausbildung zielt auf hochqualifizierte, luft- und
raumfahrtbegeisterte Ingenieurinnen und Ingenieure.

Unsere besondere Attraktivität und internationale Sichtbarkeit entsteht durch
Bündelung breitgefächerter Kompetenzen der Technischen Universität
Braunschweig und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt.

Gemeinsam besitzen wir alle Fähigkeiten, um technische Innovationen für
Flugzeuge und Luftverkehr zu erarbeiten. Diese erschließen wir aus der Sicht des
Gesamtsystems.

Wir bieten das gesamte Leistungsspektrum von der Grundlagenforschung bis zu
anwendungsnahen Technologieentwicklungen und -erprobungen. Darauf beruht die
Aktualität unserer Lehre und Ausbildung.

Das NFL baut auf einer 80jährigen Tradition der Luftfahrtforschung und
Flugerprobung in Braunschweig auf. Wir verfügen über eine international einmalige
Infrastruktur mit Forschungsflugzeugen, Windkanälen, Simulatoren und
Prüfständen. Ausgezeichnete Wissenschaftler und engagierte Studierende sind der
Garant für Spitzenforschung.

Announcement of the position of scientific employee (m/w/d, full time)
on “Aerostructural Wing and Fuselage Optimization for Hydrogen-based Aircraft “

(from 01. January 2022 – temporary position for three years)

Background
Currently, aviation is undergoing a large shift towards more sustainable, eco-friendly, and efficient aviation
to meet the International Air Transport Association (IATA) ambitious targets to mitigate CO2 emissions by
50% from air transport until 2050.
Hydrogen technologies have emerged
as a potential energy source represent
a long-term option as a fuel for aviation.
Beyond the purely technological issues,
a holistic assessment requires looking
at the integration of hydrogen into the
aircraft design towards hydrogen-
powered aircraft.
The development of the necessary systems to store and distribute hydrogen fuel on the aircraft for flight
is a mandatory step toward such a system. Since liquid hydrogen cannot be reasonably stored in the
wings due to its volume, pressure, and the insulation required, new solutions must be introduced to
integrate liquid hydrogen tanks into the fuselage. This opens up possibilities with regard to the design of
the wing and the fuselage. The space in the wing reserved previously for the fuel can now be used for
optimizing the structural load paths for high aspect ratio wings incorporating natural laminar flow (NLF)
or hybrid laminar flow control HLFC technologies for drag reduction.
The shape of conventional transport aircraft is tube-and-wing configuration (CTW), which remains up to
today. For Hydrogen aircraft type (liquid H2 aircraft), it is most likely that the length and width of the
fuselage will both increase to accommodate the integral LH2 tanks. The fuselage can generate up to 50%
of total profile drag (parasitic drag) for all-turbulent aircraft in cruise conditions. However, it is estimated
that the contribution of the turbulent fuselage to airplane profile drag increases to more than 70% if the
extended laminar regions on the wings and the tail surfaces are obtained.

Task description
Within a large research consortium, TU Braunschweig embarks on research on the aero-structural design
of hydrogen aircraft. The main objectives of this research proposal are:
1) to develop the tools to optimize the wing design from the aerodynamic and structural aspects. On the
aerodynamic side, the focus is on drag reduction, especially through maintaining laminar flow on the wing
using Hybrid Laminar Flow Control (HLFC) or Natural Laminar Flow (NLF) approaches. On the structural
side, various aspects for more accurate weight prediction for highly flexible wings are investigated in more
depth, such as evaluation of suitable designs and inclusion of secondary structures such as control
surfaces in the weight consideration based on physics-based methods.
2) to optimize the tube-and-wing configuration (CTW) aircraft with accommodation for integral hydrogen
tanks in synergy with minimum drag fuselage shape that satisfies the design constraints and
requirements. Genetic algorithm-based optimization coupled to three-dimensional aerodynamic panel
solver with BL solver and transition prediction using Granville criteria will be utilized for hydrogen mid/long-
range aircraft fuselage design. This task addresses the conceptual design of the fuselage for H2 aircraft.
The fuselage has a number of features specific to the class and mission of the aircraft configuration.

General qualifications:

Applicants must hold (or graduating soon) a Master’s degree from a from a recognized
university or institution in Aerospace Engineering or Mechanical Engineering or Applied
Physics or related disciplines or a related field; Applicants are expected to have very good
academic achievements as well a strong background in Science, Technology, Engineering,
and Mathematics (STEM) areas. Independent, curiosity-driven work attitude; excellent
communication skills in English (written and spoken). International exposure and
participation in competitive research projects are beneficial.

Specific qualifications

The PhD post should start at 01. January 2022. It is initially limited to a period of three years. A subsequent
employment for completing the PhD studies is possible. Depending on fulfillment of personal
requirements, the remuneration is based on the salary level TV-L E 13. International applicants will need
to successfully complete a visa process before hiring can take place. The post is eligible for part-time.

We are an equal opportunity employer and all qualified applicants will receive consideration for
employment without regard to race, color, religion, sex, sexual orientation, gender identity, or national
origin, disability status, or any other characteristic protected by German law. For the purpose of carrying
out the application process, personal data will be stored.

Application documents:
Your application documents in German or English language are available as one combined pdf
document consisting of a cover letter (including your motivation), a CV, your academic performance
record (your grades during your Bachelor and Master studies including grading scale details), a proof of
your language proficiency and a copy of your Master’s thesis or comparable student theses.

Please send your application until 30.09.2021 (earlier applications are welcome) to:

Dr. Camli Badrya
TU Braunschweig, Institute of Fluid Mechanics
Hermann-Blenk-Str. 37, 38108 Braunschweig, Germany
eMail: c.badrya@tu-braunschweig.de

Dr. Matthias Haupt
TU Braunschweig, Institut für Flugzeugbau und Leichtbau
Hermann-Blenk-Str. 35, 38108 Braunschweig, Germany
eMail: m.haupt@tu-braunschweig.de

Application costs cannot be reimbursed. For further questions, you can contact us by phone
at +49 531 391 94269 (Dr. Badrya) or at +49 531 391 9917 (Dr. Haupt).

As part of the Lower Saxony Research Center for Aviation (NFL) our work is based on the
following

Mission statement

We are a leading aerospace research center in Germany, providing top level
research and education. We create leading innovations in aerospace.

Scientific excellence and professionalism guide us in all that we do. Our research
helps satisfy society’s need for mobility – both today and in the future. We focus on
environmental sustainability, safety, and efficiency.

We direct the results of our research toward industry, science, and society. Our
education is aimed at highly qualified engineers who are enthusiastic about
aerospace.

Joining together the broad areas of expertise from the TU Braunschweig and the
German Aerospace Center gives us a particular appeal, along with international
visibility.

Together we have all the skills needed to create technical innovations for aircraft and
air transportation. These we develop with a holistic view toward of the system.

We offer the complete spectrum, from basic research to application-based technical
development and testing. The results keep our education and training on the cutting
edge.

The Campus Research Airport is building on an 80-year tradition of aeronautical
research and flight testing in Braunschweig. We have an infrastructure that is unique
internationally, with research aircraft, wind tunnels, simulators, and test facilities.
Award-winning scientists and motivated students ensure top-level research.