🟢 ✈️ Arten des Flugzeugbaus - Types of aircraft construction 🚁

Der Bau von Flugzeugrümpfen entwickelte sich von den frühen Holzfachwerkstrukturanordnungen über Monocoque-Schalenstrukturen zu den aktuellen Semimonocoque-Schalenstrukturen. 

Fachwerkstruktur

Der Hauptnachteil der Fachwerkstruktur ist das Fehlen einer stromlinienförmigen Form. Bei dieser Konstruktionsmethode werden Rohrstücke, sogenannte Längsträger, an Ort und Stelle geschweißt, um einen gut verstrebten Rahmen zu bilden. Vertikale und horizontale Streben sind mit den Längsträgern verschweißt und geben der Konstruktion in der Stirnansicht eine quadratische oder rechteckige Form. Zusätzliche Streben sind erforderlich, um Belastungen standzuhalten, die aus allen Richtungen kommen können. Stringer und Schotten oder Spanten werden hinzugefügt, um den Rumpf zu formen und die Abdeckung zu stützen.

Mit fortschreitender Technologie begannen Flugzeugkonstrukteure, die Fachwerkelemente einzuschließen, um das Flugzeug zu rationalisieren und die Leistung zu verbessern. Dies wurde ursprünglich mit Stoffgeweben erreicht, die schließlich durch Leichtmetalle wie Aluminium ersetzt wurden. In einigen Fällen kann die Außenhaut alle oder einen Großteil der Fluglasten tragen. Die meisten modernen Flugzeuge verwenden eine Form dieser beanspruchten Hautstruktur, die als Monocoque- oder Semimonocoque-Konstruktion bekannt ist. 

Monocoque 

Die Monocoque-Konstruktion verwendet beanspruchte Haut, um fast alle Lasten zu tragen, ähnlich wie bei einer Getränkedose aus Aluminium. Obwohl sehr stark, ist die Monocoque-Konstruktion nicht sehr tolerant gegenüber Verformungen der Oberfläche. Beispielsweise hält eine Aluminiumgetränkedose beträchtliche Kräfte an den Enden der Dose aus, aber wenn die Seite der Dose leicht verformt wird, während sie eine Last trägt, bricht sie leicht zusammen.

Da die meisten Torsions- und Biegespannungen eher von der Außenhaut als von einem offenen Rahmen getragen werden, wurde die Notwendigkeit einer internen Verstrebung eliminiert oder reduziert, wodurch Gewicht gespart und Platz maximiert wurde. Eine der bemerkenswertesten und innovativsten Methoden zur Verwendung der Monocoque-Konstruktion wurde von Jack Northrop angewendet. 1918 erfand er eine neue Methode zur Konstruktion eines Monocoque-Rumpfes, der für den Lockheed S-1 Racer verwendet wurde. Die Technik verwendete zwei geformte Sperrholzhalbschalen, die um hölzerne Reifen oder Stringer zusammengeklebt wurden. Um die Halbschalen zu bauen, wurden nicht viele Sperrholzleisten über eine Form geklebt, sondern drei große Sätze Fichtenleisten mit Leim getränkt und in eine halbkreisförmige Betonform gelegt, die wie eine Badewanne aussah. Dann wurde unter einem festgeklemmten Deckel ein Gummiballon in den Hohlraum aufgeblasen, um das Sperrholz gegen die Form zu drücken. 24 Stunden später war die glatte Halbschale bereit, um mit einer anderen zum Rumpf zusammengefügt zu werden. Die beiden Hälften waren jeweils weniger als einen Viertel Zoll dick. Obwohl in der frühen Luftfahrtzeit eingesetzt, tauchte die Monocoque-Konstruktion aufgrund der damit verbundenen Komplexität mehrere Jahrzehnte lang nicht wieder auf. Alltägliche Beispiele für Monocoque-Bauweise finden sich im Automobilbau, wo der Unibody als Standard in der Fertigung gilt. 

Semimonocoque

Semimonocoque-Konstruktion, teilweise oder halb, verwendet eine Unterstruktur, an der die Haut des Flugzeugs befestigt ist. Der Unterbau, der aus Schotten bzw. Spanten unterschiedlicher Größe und Stringern besteht, verstärkt die beanspruchte Außenhaut, indem sie einen Teil der Biegespannung aus dem Rumpf nimmt. Der Hauptabschnitt des Rumpfes umfasst auch Flügelbefestigungspunkte und eine Brandwand. Bei einmotorigen Flugzeugen ist der Motor normalerweise vorne am Rumpf angebracht. Zwischen der Rückseite des Triebwerks und dem Flugdeck oder der Kabine befindet sich eine feuerfeste Trennwand, um den Piloten und die Passagiere vor versehentlichen Triebwerksbränden zu schützen. Diese Trennwand wird Firewall genannt und besteht normalerweise aus hitzebeständigem Material wie Edelstahl. Ein neu aufkommender Konstruktionsprozess ist jedoch die Integration von Verbundwerkstoffen oder Flugzeugen, die vollständig aus Verbundwerkstoffen bestehen.

Verbundkonstruktion

Geschichte 

Die Verwendung von Verbundwerkstoffen im Flugzeugbau kann auf Flugzeuge des Zweiten Weltkriegs datiert werden, als in B-29-Rümpfen eine weiche Glasfaserisolierung verwendet wurde. In den späten 1950er Jahren verwendeten europäische Hersteller von Hochleistungssegelflugzeugen Glasfaser als Primärstrukturen. 1965 zertifizierte die FAA das erste Vollglasflugzeug der Normalkategorie, ein Schweizer Segelflugzeug namens Diamant HBV. Vier Jahre später zertifizierte die FAA einen viersitzigen, einmotorigen Windecker Eagle in der normalen Kategorie. Bis 2005 wurden über 35 Prozent der neuen Flugzeuge aus Verbundwerkstoffen gebaut.

Verbundwerkstoff ist ein weit gefasster Begriff und kann Materialien wie Glasfaser, Kohlefasergewebe, Kevlar™-Gewebe und Mischungen aus allen oben genannten bedeuten. Die Verbundkonstruktion bietet zwei Vorteile: extrem glatte Außenhaut und die Möglichkeit, komplexe gekrümmte oder stromlinienförmige Strukturen einfach zu formen.

Verbundwerkstoffe im Flugzeug

Verbundwerkstoffe sind faserverstärkte Matrixsysteme. Die Matrix ist der „Klebstoff“, der verwendet wird, um die Fasern zusammenzuhalten, und verleiht dem Teil nach dem Aushärten seine Form, aber die Fasern tragen die meiste Last. Es gibt viele verschiedene Arten von Fasern und Matrixsystemen.

In Flugzeugen ist die häufigste Matrix Epoxidharz, eine Art duroplastischer Kunststoff. Im Vergleich zu anderen Alternativen wie Polyesterharz ist Epoxid stärker und hat gute Hochtemperatureigenschaften. Es sind viele verschiedene Arten von Epoxidharzen mit einem breiten Spektrum an strukturellen Eigenschaften, Aushärtungszeiten und -temperaturen sowie Kosten erhältlich.

Die im Flugzeugbau am häufigsten verwendeten Verstärkungsfasern sind Glasfaser und Kohlefaser. Fiberglas hat eine gute Zug- und Druckfestigkeit, eine gute Schlagfestigkeit, ist leicht zu verarbeiten und relativ kostengünstig und leicht verfügbar. Sein Hauptnachteil besteht darin, dass es etwas schwer ist und es schwierig ist, eine lasttragende Struktur aus Fiberglas leichter als eine gut konstruierte äquivalente Aluminiumstruktur zu machen. 

Kohlefaser hat im Allgemeinen eine stärkere Zug- und Druckfestigkeit als Glasfaser und eine viel höhere Biegesteifigkeit. Es ist auch wesentlich leichter als Glasfaser. Es hat jedoch eine relativ schlechte Schlagfestigkeit; Die Fasern sind spröde und neigen dazu, bei starkem Aufprall zu zerbrechen. Mit einem „gehärteten“ Epoxidharzsystem, wie es in den Höhen- und Seitenleitwerken der Boeing 787 zum Einsatz kommt, lässt sich dies deutlich verbessern. Kohlefaser ist teurer als Glasfaser, aber der Preis ist aufgrund von Innovationen gesunken, die durch das B-2-Programm in den 1980er Jahren und die Arbeit der Boeing 777 in den 1990er Jahren vorangetrieben wurden. Sehr gut gestaltete Kohlefaserstrukturen können erheblich leichter sein als eine entsprechende Aluminiumstruktur, manchmal um etwa 30 Prozent.

Vorteile von Verbundwerkstoffen

Verbundkonstruktionen bieten mehrere Vorteile gegenüber Metall, Holz oder Stoff, wobei das geringere Gewicht am häufigsten genannt wird. Weniger Gewicht ist nicht immer automatisch. Es muss daran erinnert werden, dass der Bau einer Flugzeugstruktur aus Verbundwerkstoffen nicht garantiert, dass sie leichter wird; es hängt von der Struktur sowie der Art des verwendeten Verbundstoffs ab.

Ein wichtigerer Vorteil ist, dass eine sehr glatte, zusammengesetzte, aerodynamische Struktur aus Verbundwerkstoffen den Luftwiderstand reduziert. Dies ist der Hauptgrund, warum Segelflugzeugdesigner in den 1960er Jahren von Metall und Holz auf Verbundwerkstoffe umgestiegen sind. In Flugzeugen reduziert die Verwendung von Verbundwerkstoffen den Luftwiderstand für die Serienflugzeuge Cirrus und Columbia, was zu ihrer hohen Leistung trotz ihres festen Fahrwerks führt. Verbundwerkstoffe tragen auch dazu bei, die Radarsignatur von „Stealth“-Flugzeugkonstruktionen wie der B-2 und der F-22 zu maskieren. Heute finden sich Verbundwerkstoffe in so unterschiedlichen Flugzeugen wie in Segelflugzeugen bis hin zu den meisten neuen Hubschraubern.  

Korrosionsfreiheit ist ein dritter Vorteil von Verbundwerkstoffen. Boeing konstruiert die 787 mit ihrem Rumpf aus Verbundwerkstoffen so, dass sie sowohl einen höheren Druckunterschied als auch eine höhere Luftfeuchtigkeit in der Kabine aufweist als frühere Flugzeuge. Ingenieure sind nicht mehr so ​​besorgt über Korrosion durch Feuchtigkeitskondensation auf den verborgenen Bereichen der Rumpfhaut, wie beispielsweise hinter Isolierdecken. Dies sollte zu niedrigeren langfristigen Wartungskosten für die Fluggesellschaften führen. 

Ein weiterer Vorteil von Verbundwerkstoffen ist ihre gute Leistung in einer flexiblen Umgebung, wie beispielsweise in Rotorblättern von Hubschraubern. Verbundwerkstoffe leiden nicht wie Metalle unter Metallermüdung und Risswachstum. Auch wenn eine sorgfältige Konstruktion erforderlich ist, können Rotorblätter aus Verbundwerkstoffen eine erheblich längere Lebensdauer haben als Metallblätter, und die meisten neuen großen Hubschrauberkonstruktionen haben alle Blätter aus Verbundwerkstoffen und in vielen Fällen Rotornaben aus Verbundwerkstoffen.

Nachteile von Verbundwerkstoffen 

Die Verbundkonstruktion hat ihre eigenen Nachteile, von denen der wichtigste das Fehlen eines visuellen Beweises für Schäden ist. Verbundwerkstoffe reagieren anders als andere Strukturmaterialien auf Stöße, und es gibt oft keine offensichtlichen Anzeichen einer Beschädigung. Wenn zum Beispiel ein Auto rückwärts in einen Aluminiumrumpf stößt, kann es den Rumpf verbeulen. Wenn der Rumpf nicht verbeult ist, gibt es keinen Schaden. Wenn der Rumpf verbeult ist, ist der Schaden sichtbar und es werden Reparaturen durchgeführt. 

Bei einer Verbundstruktur hinterlässt ein Aufprall mit geringer Energie, wie z. B. ein Stoß oder ein Fallenlassen eines Werkzeugs, möglicherweise keine sichtbaren Spuren des Aufpralls auf der Oberfläche. Unterhalb der Aufprallstelle kann es zu großflächigen Delaminationen kommen, die sich von der Aufprallstelle kegelförmig ausbreiten. Der Schaden auf der Rückseite der Struktur kann erheblich und umfangreich sein, aber er kann nicht sichtbar sein. Jedes Mal, wenn Grund zu der Annahme besteht, dass es einen Aufprall gegeben haben könnte, auch nur einen geringfügigen, ist es am besten, einen mit Verbundwerkstoffen vertrauten Inspektor zu bitten, die Struktur zu untersuchen, um den zugrunde liegenden Schaden festzustellen. Das Erscheinen von „weißlichen“ Bereichen in einer Glasfaserstruktur ist ein guter Hinweis darauf, dass Delaminierungen oder Faserbrüche aufgetreten sind.

Ein Aufprall mit mittlerer Energie (z. B. wenn das Auto rückwärts in die Struktur fährt) führt zu einem lokalen Zerquetschen der Oberfläche, das für das Auge sichtbar sein sollte. Der beschädigte Bereich ist größer als der sichtbare Quetschbereich und muss repariert werden. Ein Aufprall mit hoher Energie, wie ein Vogelschlag oder Hagel während des Fluges, führt zu einem Loch und einer stark beschädigten Struktur. Bei Aufprall mit mittlerer und hoher Energie ist der Schaden für das Auge sichtbar, aber Aufprall mit niedriger Energie ist schwer zu erkennen.

Kommt es bei einem Aufprall zu Delaminationen, Zertrümmerungen der Oberfläche oder einem Loch, ist eine Reparatur zwingend erforderlich. Während des Wartens auf die Reparatur sollte die beschädigte Stelle abgedeckt und vor Regen geschützt werden. Viele Verbundwerkstoffteile bestehen aus dünnen Häuten über einem Wabenkern, wodurch eine „Sandwich“-Struktur entsteht. Obwohl eine solche Struktur aus Gründen der Struktursteifigkeit hervorragend ist, ist sie ein leichtes Ziel für das Eindringen (Eindringen) von Wasser, was später zu weiteren Problemen führt. Ein Stück Klebeband über dem Loch ist eine gute Möglichkeit, es vor Wasser zu schützen, aber es ist keine strukturelle Reparatur. Die Verwendung einer Spachtelmasse zum Abdecken des Schadens ist zwar aus kosmetischen Gründen akzeptabel, aber auch keine strukturelle Reparatur. 

Die Möglichkeit einer Hitzeschädigung des Harzes ist ein weiterer Nachteil der Verwendung von Verbundwerkstoffen. Während „zu heiß“ vom jeweils gewählten Harzsystem abhängt, beginnen viele Epoxidharze über 150 °F zu schwächen. Um dieses Problem zu minimieren, wird häufig weiße Farbe auf Verbundwerkstoffen verwendet. Zum Beispiel kann die Unterseite eines schwarz lackierten Flügels, der an einem heißen, sonnigen Tag einer schwarzen Asphaltrampe zugewandt ist, bis zu 220 °F heiß werden. Dieselbe Struktur, weiß gestrichen, überschreitet selten 140 °F. Infolgedessen haben Flugzeuge aus Verbundwerkstoffen oft spezifische Empfehlungen zu zulässigen Lackfarben. Wenn das Flugzeug neu lackiert wird, müssen diese Empfehlungen befolgt werden. Auch durch einen Brand können Hitzeschäden entstehen. Selbst ein schnell gelöschtes kleines Bremsfeuer kann die Unterflügelhaut, Verbundfahrwerkbeine oder Radverkleidungen beschädigen. 

Auch chemische Abbeizmittel sind sehr schädlich für Verbundwerkstoffe und dürfen auf diesen nicht verwendet werden. Wenn Farbe von Verbundwerkstoffen entfernt werden muss, sind nur mechanische Methoden wie sanftes Sandstrahlen oder Schleifen zulässig. Viele teure Verbundwerkstoffteile wurden durch die Verwendung von Abbeizmitteln ruiniert, und solche Schäden sind im Allgemeinen nicht reparabel.

Flüssigkeitsspritzer auf Verbundwerkstoffen

Einige Besitzer sind besorgt über das Verschütten von Kraftstoff, Öl oder Hydraulikflüssigkeit auf Verbundstoffoberflächen. Bei modernen Verbundwerkstoffen mit Epoxidharz sind diese in der Regel kein Problem. Wenn das Verschüttete die Farbe nicht angreift, wird es normalerweise den darunter liegenden Verbundstoff nicht verletzen. Einige Flugzeuge verwenden beispielsweise Kraftstofftanks aus Glasfaser, bei denen der Kraftstoff ohne Verwendung von Dichtungsmittel direkt gegen die Verbundstoffoberfläche fährt. Wenn die Glasfaserstruktur aus einigen der billigeren Arten von Polyesterharz hergestellt wird, kann es bei der Verwendung von Autogas mit in die Mischung eingemischtem Ethanol zu Problemen kommen. Die teureren Arten von Polyesterharz sowie Epoxidharz können mit Autogas sowie Flugbenzin mit 100 Oktan (Avgas) und Flugbenzin verwendet werden.

Blitzschutz

Der Schutz vor Blitzschlag ist ein wichtiger Aspekt bei der Konstruktion von Flugzeugen. Wenn ein Flugzeug vom Blitz getroffen wird, wird eine sehr große Energiemenge an die Struktur abgegeben. Unabhängig davon, ob Sie ein leichtes Flugzeug der allgemeinen Luftfahrt (GA) oder ein großes Verkehrsflugzeug fliegen, das Grundprinzip des Blitzschutzes ist dasselbe. Bei Flugzeugen jeder Größe muss die Energie des Aufpralls über eine große Fläche verteilt werden, um die Ampere pro Quadratzoll auf ein harmloses Niveau zu senken.

Wenn ein Blitz in ein Aluminiumflugzeug einschlägt, wird die elektrische Energie natürlich leicht durch die Aluminiumstruktur geleitet. Die Herausforderung besteht darin, die Energie von Avionik, Kraftstoffsystemen usw. fernzuhalten, bis sie sicher über Bord geleitet werden kann. Die Außenhaut des Flugzeugs ist der Weg des geringsten Widerstands. 

In einem Verbundflugzeug ist Glasfaser ein ausgezeichneter elektrischer Isolator, während Kohlefaser Strom leitet, aber nicht so leicht wie Aluminium. Daher muss der Außenschicht der Verbundhaut zusätzliche elektrische Leitfähigkeit hinzugefügt werden. Dies erfolgt typischerweise mit feinen Metallgittern, die auf die Hautoberflächen geklebt werden. Aluminium- und Kupfergewebe sind die beiden häufigsten Arten, wobei Aluminium auf Glasfaser und Kupfer auf Kohlefaser verwendet wird. Bei allen baulichen Reparaturen in blitzschlaggeschützten Bereichen müssen sowohl das Netz als auch die darunter liegende Struktur einbezogen werden. 

Bei Verbundflugzeugen mit innenliegenden Funkantennen müssen im Bereich der Antenne „Fenster“ im Blitzschutzgitter vorhanden sein. Interne Funkantennen können in Glasfaserverbundwerkstoffen gefunden werden, da Glasfaser für Funkfrequenzen transparent ist, während Kohlenstofffasern dies nicht sind. 

Die Zukunft von Verbundwerkstoffen

In den Jahrzehnten seit dem Zweiten Weltkrieg haben Verbundwerkstoffe eine wichtige Rolle bei der Konstruktion von Flugzeugstrukturen eingenommen. Ihre Designflexibilität und Korrosionsbeständigkeit sowie die möglichen hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse werden zweifellos auch in Zukunft zu innovativeren Flugzeugdesigns führen. Von der Cirrus SR-20 bis zur Boeing 787 ist es offensichtlich, dass Verbundwerkstoffe im Flugzeugbau eine Heimat gefunden haben und hier bleiben werden.