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06.12.2017 | Verbindungstechnik | Nachricht | Onlineartikel

CFK-Strukturen eines Flugzeugrumpfs im Belastungstest

Autor:
Dr. Hubert Pelc

Um das Gewicht von Flugzeugen weiter zu reduzieren, greifen Konstrukteure vermehrt zu kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffteilen (CFK). Entscheidend ist es, die Zuverlässigkeit dieser Komponenten im Flugbetrieb nachzuweisen.

Dank eines neuartigen Strukturüberwachungssystems für eine Flugzeug-Rumpfstruktur hat nun das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Zusammenarbeit mit zwei weiteren Fraunhofer-Instituten die Zuverlässigkeit von CFK-Komponenten im Flugzeugbau nachgewiesen. Die Wissenschaftler entwickelten im Rahmen des europäischen Luftfahrtforschungsprojektes Clean Sky ein Messkonzept, das sie in einem Flugzeugrumpf installierten und erprobten. Mithilfe von optischen Messfasern und piezo-basierten Sensoren konnten sie die realen Lasten in großer Höhe ermitteln und die Struktur überwachen. Basierend auf diesen Ergebnissen ist es nun möglich, Komponenten zu optimieren und damit Gewicht zu sparen.

Messungen im Flugbetrieb

Mit einem speziellen Messaufbau hat ein Team aus Forschern des Fraunhofer LBF den Rumpf eines Flugzeugs überwacht, um das Verhalten großer CFK-Strukturen während des Flugs zu untersuchen. Als Testflugzeug diente ein Mittelstreckenmodell für etwa 70 Passagiere. Ziel der Messungen war es, robuste Daten zu erhalten, die mit den theoretischen Berechnungen der Flugzeughersteller über das Verhalten von CFK-Großstrukturen verglichen werden können, um damit zukünftig solche Bauteile effizienter auszulegen. Dazu unterzogen die Wissenschaftler den Flugzeugrumpf in einem Bodentest einer zyklischen Innendruckbelastung sowie mehreren Flugtests in unterschiedlichen Flughöhen. Mit dem wiederholten Aufblasen des abgeschlossenen Rumpfs am Boden simulierten sie die Ausdehnung der Struktur in großer Flughöhe bei konstanter Temperatur, um die Einflüsse der Kälte auszuschließen, die in großen Höhen zusätzlich auf die Struktur einwirken. Zur Dehnungs- und Spannungsüberwachung wurde auf dem Flugzeugrumpf großflächig ein Sensor-Überwachungsnetzwerk aus optischen Messfasern aufgebracht. Die dünnen, länglichen Glasfasern sind in der Lage, auch sehr schwache Veränderungen von größeren Bauteilen anzuzeigen. Darüber hinaus wurde ein piezo-basiertes Strukturüberwachungssystem an der Rumpfunterseite zur Erkennung von Veränderungen in der Struktur und im Material appliziert.

Wirtschaftlichen Flugzeugbau vorantreiben

Dieses Wissen kann in Zukunft genutzt werden, um leichtere, optimierte Komponenten herzustellen, die zu einer Gewichtsreduzierung und damit zu Kraftstoffeinsparungen führen. Mit der Strukturüberwachung lassen sich auch die Betriebszeiten der Komponenten deutlich verlängern und so die Kosten senken wie auch die Betriebssicherheit erhöhen. Mit einem solchen System wäre es möglich, die Struktur am Boden und während des Flugs auf ihren Zustand hin zu überwachen.

Die Tests sind Teil von Clean Sky, einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Europäischen Kommission und der europäischen Luftfahrtindustrie. Ziel ist es, insgesamt noch leichtere CFK-Bauteile zu konstruieren, die Teile länger im Einsatz zu belassen und deutliche Einsparungen bei Wartung und Austausch zu erzielen und somit Flugzeuge wirtschaftlicher und umweltfreundlicher zu betreiben.

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