Eine neue Art zu fliegen
Ein Flugzeug rast mit Getöse über das Rollfeld und hebt ab - dies ist heute für die meisten Reisenden ein vertrauter Anblick. In der Tat hat sich an diesem Bild in 50 Jahren nicht viel verändert. Obwohl bedeutende Fortschritte in Bezug auf Kraftstoffverbrauch, Motorenentwurf und Lärmunterdrückungstechniken gemacht wurden, sind die grundlegende Körper- und Flügelform von Flugzeugen sowie das zum Bau verwendete Material seit Jahren gleich geblieben. Jetzt ändert sich das. Wie viele Produkte, die in den letzten Jahren eine dramatische Entwicklung aufweisen - etwa Handys -, wandelt sich auch das Flugzeugdesign. Mehr denn je versuchen Forscher heute die Grenzen der Wissenschaft des Fliegens hinauszudrücken, um effizientere, leisere und umweltfreundlichere Flugzeuge zu bauen. Die Flugzeuge der Zukunft werden voraussichtlich noch effizienter und zuverlässiger sein. Aber wie werden sie diese Ziele erreichen und wer leistet die wichtige Arbeit, um die Art und Weise, wie wir fliegen, zu verändern? Es herrscht die weit verbreitete Meinung vor, dass die meisten Fortschritte von großen Flugzeugherstellern kommen. Doch in Wirklichkeit ist alles viel komplexer. Das EU-geförderte WASIS-Projekt ist ein gutes Beispiel dafür. Es arbeitet an einer Rumpfstruktur aus Verbundmaterial, die auf einem gitterartigen (Wafer) Versteifungskonzept basiert, das die Entwicklung der Bauteilfugen des Rumpfes verbessern wird. Das Gesamtkonzept des Projekts ist auf die Einhaltung der strengen Umwelt- und Sicherheitsanforderungen bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Design und Herstellungskosten-Effizienz ausgerichtet. Durch den Gitter- oder Wafer-Ansatz erhalten Verbundwerkstoffe ein effizienteres mechanisches Verhalten, das Gewicht wird reduziert und die Leistung der Struktur wird optimiert. Dies wird mit speziell entwickelten Verbindungselementen mit Mikrostiften kombiniert, um eine innovative unregelmäßige Gitterstrukturfertigung und ein geringeres Flugzeuggewicht zu erreichen. Das ultimative Ziel des Projektes ist die Entwicklung neuer mittelgroßer Flugzeuge. Während die großen Hersteller sich auf die Entwicklung von Flugzeugen konzentrieren, die 20% effizienter und größer sind, sieht die Realität doch so aus, dass die Welt im Hinblick auf große Flughäfen einen Sättigungszustand erreicht hat. Das Wachstum der Flughäfen wird durch den verfügbaren Raum zu Land oder die Kapazitäten in der Luft begrenzt. Auch die Treibstoffpreise sind nicht der einzige negative Faktor. Zusätzliche Steuern und Vorschriften, etwa in Bezug auf Umweltfragen (vor allem Lärm, CO2- und NOx-Emissionen), erzeugen weiteren finanziellen Druck auf die Fluggesellschaften, die wiederum nach Möglichkeiten suchen, um die Kosten in ihren Bilanzen zu reduzieren. So versuchen Fluggesellschaften etwa, Flughafengebühren zu senken und drohen in einigen Fällen sogar damit, ihren Verkehr an alternative Standorte umzulenken. Die Realität ist, dass die Zukunft den mittelgroßen Flugzeugen gehört, die auch kleinere Flughäfen bei geringen Kosten anfliegen können. Zweitrangige Flughäfen oder kleinere Flughäfen bieten nicht nur spezielle Dienstleistungen für Billigfluglinien an sondern auch für andere Kunden, wie etwa Business Aviation, die allgemeine Luftfahrt, Fracht oder das Militär. Hier wird ein starkes Wachstum erwartet. Und genau dafür eignet sich diese neue Klasse der mittelgroßen Flugzeuge. Der Rumpf ist der Hauptteil des Flugzeugs, in dem Besatzung und Passagiere oder Fracht untergebracht werden. In den vergangenen Jahrzehnten wurden moderne Flugzeuge aus Aluminium gefertigt, obwohl vor kurzem auch einige Flugzeuge mit Verbundwerkstoffen, wie die Boeing 787 und der Airbus A350, gebaut wurden. Rumpf- und Tragflächenteile werden in erster Linie aus kohlefaserverstärktem Polymer hergestellt. Das WASIS-Projekt prüft die Sicherheit dieses Materials durch Simulation und virtuelle Tests bereits von den ersten Planungsphasen an. Das entwickelte innovative Rumpfdesign wird dann mit der hocheffizienten Filamentwicklungstechnik zusammengeführt, um Herstellungskosten und Zeit zu sparen. Proben werden hergestellt, um nachzuweisen, wie die unterschiedlichen Konzepte zusammen passen werden. Der Wafer-Ansatz wird einer vollständigen Prüfung unterworfen. In seinem ersten Jahr erkundete WASIS den Waferansatz und entwickelte einen neuen Rumpfabschnitt auf der Grundlage der Piaggio P180. Dieser Prototyp eines Rumpfabschnitts wurde so entwickelt, dass er die gleichen Lastfälle wie die metallische Referenz-Struktur tragen konnte. Die Größenbestimmung wurde zunächst analytisch durchgeführt, gefolgt von statischen und dynamischen FEM-Simulationen. Mit diesen Simulationen wurden Steifigkeit, Versagensindizes und das Verhalten unter verschiedenen Bedingungen (z. B. Notlandung, Hagelschlag oder Folgen zu niedriger Geschwindigkeit) bestimmt. Auch während dieses ersten Jahres wurden von den Partnern Probeteile entworfen und hergestellt, um die Machbarkeit der Fertigungsprozesse (Filamentwicklung und Bandpositionierung) bei der ersten Jahresüberprüfung zu demonstrieren. WASIS befindet sich derzeit in der Endphase des zweiten Jahres. Der Schwerpunkt lag auf der Verbesserung des Entwurfs des Rumpfabschnitts, und das Projektteam hat mit der Untersuchung der Mikrostiftverbindungen und der Rollen begonnen, die für die Struktur verwendet werden, damit keine Fasern zerschnitten werden. Außerdem soll die Kraftübertragung vom Metallrahmen auf den Komposit-Abschnitt verbessert werden. Die Konstruktion und ersten Herstellungsversuche der Befestigungsrahmen, die die metallische Schnittstelle zwischen dem Kompositabschnitt und dem Rest des Flugzeugs darstellen, wurden diskutiert. Mehrere verkleinerte Prototypen wurden unter Berücksichtigung des Knickverhaltens als Skalierungskriterium für den Sollwert angefertigt. Zwei Prototypen unterschiedlicher Größe wurden entwickelt: einer hat einen Durchmesser von 1m, während ein zweiter einen Durchmesser von 0,5 m haben wird. Es wurden verschiedene Tests zur Beurteilung des Fertigungsverfahrens durchgeführt, um sicherzustellen, dass alle Konzepte in die Herstellung dieser Prototypen einbezogen werden können. Außerdem wurden verschiedene Tests durchgeführt, um Materialien und Leistung des Dorns zu optimieren. In den letzten 18 Monaten des Programms wird WASIS Prototypen anfertigen und mit einer Testkampagne beginnen, bei der gefertigte Bauteile getestet werden, um die Leistungsfähigkeit der Struktur wirksam zu demonstrieren und den entwickelten Entwurf zu validieren. Das Endergebnis wird ein mittelgroßer Düsenjet mit einem Durchmesser von nicht mehr als 3m sein.Weitere Informationen finden Sie unter: WASIS http://www.wasis.eu/(öffnet in neuem Fenster)