Computergestütztes Engineering zum Schutz von Komposit-Flugzeugen vor Blitzschlag
In den letzten Jahren gab es eine starke Zunahme bei der Nachfrage nach Verbundmaterialien für neue Flugzeuge vor allem wegen ihres hohen Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnisses. Aber durch die Erhöhung ihrer Fraktion sind Herausforderungen in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit entstanden, wie z.B. Blitzschutz, elektrostatische Entladungen und Abschirmungen. Da die Verbundmaterialien eine schlechte elektrische Leitfähigkeit aufweisen, besteht ein Bedarf an einem speziellen leitfähigen Stromrückpfad, wie etwa ein ALEEN (almost equipotential electrical network). Eine neue Modellierungsmethode ermöglichte die Modellierung der Auswirkungen von Blitzen an den Kabelbaumkonfigurationen an Bord von Flugzeugen mit ALEEN. Im Rahmen des Projekts ARROW (Aircraft lightning threat reduction through wiring optimization) verwendeten die Forscher numerische Analyse und computergestütztes Engineering (CAE), um die Spannung und die Stromstärke an der Ausbaustufe durch einen Blitzschlag zu berechnen. Genaue elektromagnetische Charakterisierung ermöglichte die richtige Gestaltung von elektrischen Anlagen, wie etwa ein elektrisches Verdrahtungsverbindungssystem, ohne die Notwendigkeit für wiederholtes Boarding. Das Analyse-Tool von ARROW bietet eine genaue Modellierung von ALEEN-Teilen und komplexen 3D-Formen, darunter auch Verbundteile mit endlicher Leitfähigkeit. Impedanz, Hüllen- und Proximity-Effekte in expandierten Folien auf den Verbundschichten werden ebenfalls berücksichtigt. Das neu entwickelte CAE-Tool umfasst eine Reihe von Vor- und Nachbereitungen sowie Management-Funktionalitäten, die sich für die Eingabe für die Datenmodellierung und zur Erstellung des elektromagnetischen Modells eignen. Selbst bei einer elektromagnetischen Analyse an dem Modell ist die Berücksichtigung aller Flugzeugstrukturen und Drähte theoretisch möglich, ein Hybrid-Feld-zu-Draht-Kupplungsverfahren kann die Modelle vereinfachen und die parametrische Analyse an der internen Verkabelung erleichtern. ARROW implementierte diese Technik und löste das elektromagnetische 3D-Modell der Bauteile durch eine Vollwellen-Methode, ohne explizit die Kabel zu berücksichtigen und dann eine mehradrige Übertragungsnetzwerkanalyse am Kabelbaum durchzuführen. Ein besonderes Augenmerk lag auf der Vermeidung des Niederfrequenzdurchbruchproblems, das bei typischen elektromagnetischen Integralgleichungs-Solvern auftritt. Insbesondere verwendeten die Forscher eine Formel, die elektrischen Strom und Ladungsunbekannte trennt, während ein diskretes Dreieck-Patches-Modell der Struktur eine hochgenaue Simulation ermöglichte. In der Luftfahrtindustrie, die weiter nach Wegen zur Gewichtsreduzierung sucht, bringt die Verwendung von Verbundwerkstoffen deutliche Vorteile in Bezug auf Treibstoffverbrauch und Wartungskosten. Da Komposit-Flugzeuge für Blitzeinschläge anfälliger sind, sollte das neu entwickelte Tool solche Bedrohung von außen kontrollieren und reduzieren und so die Flugsicherheit verbessern.
Schlüsselbegriffe
computergestütztes Engineering, Komposit-Flugzeuge, Blitzschlag, Stromnetz, elektromagnetisches Modell
