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Neue Abschirmung für zukunftstaugliche Flugzeuge mit innovativem Triebwerksdesign

Neue, ökologisch effiziente Flugzeuge sollen die Atmosphäre mit deutlich weniger Kohlendioxid und Stickoxiden belasten. Zur Verwirklichung dieses wichtigen Ziels werden bei der Konstruktion von Flugzeugen neue Wege erforscht, um zukunftsorientierte Triebwerke und Antriebskonzepte zu integrieren.

Verkehr und Mobilität

Die heutige Triebwerksgeneration kann durch die vielen vielversprechenden Konzepte wie etwa das Triebwerk mit gegenläufig rotierenden offenen Rotoren (CROR) nicht direkt ersetzt werden, da diese erhebliche Veränderungen an der Flugzeugkonstruktion erforderlich machen. So müssen zum Beispiel die Triebwerke weg von den Tragflächen nach hinten versetzt werden. Auf diese Weise werden große Fan- bzw. Rotordurchmesser oder mehrere Fans realisierbar, die dazu beitragen, eine bislang unerreichte Treibstoffeffizienz und Emissionssenkung bei weniger Kabineninnengeräusch und gesteigertem Fluggastkomfort zu erreichen. Das Hauptsicherheitsproblem der CROR-Technik ist die hochenergetische Freisetzung von Trümmerteilen nach dem Zerbersten des Triebwerks oder in Folge von Ereignissen, bei denen ein Blatt des Fans bei voller Drehzahl abgesprengt wird (Blade-Off). Die Entwicklung einer Aufprallabschirmung zum Schutz vor mit hoher Energie einschlagenden Triebwerkstrümmern ist ein Muss, wenn die CROR-Antriebstechnik im Rumpfheck zukünftiger ziviler Regionalflugzeuge zum Einsatz kommen soll. Das EU-finanzierte Projekt REDISH hatte diese Herausforderung angenommen und innovative Abschirmungslösungen untersucht. „Diese zielten darauf ab, die luftfahrttechnischen Anforderungen und Normen, insbesondere in Bezug auf die Gewichtseffizienz, zu erfüllen, die der Hauptfaktor für Treibstoffeffizienz und Emissionsminderung ist“, sagt Projektkoordinator Cláudio Lopes.

Laminate und Verbundwerkstoffe im Test

Das Forscherteam wandte einen gekoppelten experimentell-numerischen Entwicklungsansatz auf einige mögliche Konfigurationen an und konzipierte äußerst zuverlässige Simulationswerkzeuge, mit denen virtuelle Tests durchgeführt wurden. Der Bedarf an kostspieligen physikalischen Tests wurde auf diese Weise erheblich gesenkt. Der Entwicklungsprozess der Abschirmung konnte beschleunigt werden. Die Projektpartner führten Analysen auf Laminatebene durch und bewerteten die Widerstandsfähigkeit der abschirmenden Werkstoffe gegenüber Durchlöcherung aufgrund des Aufpralls von Metallbruchstücken und zerbrechlicher Kohlefaserverbundwerkstoffe. Sie verwendeten flache Laminatproben und nahmen eine Einstufung als Leistungsindikator vor. In der nächsten Phase wurde auf Bauteilebene die endgültige Bauform der Abschirmung untersucht und außerdem die Widerstandsfähigkeit des Bauteils gegenüber Perforation bestimmt. Das Team untersuchte sowohl auf Laminat- als auch auf Bauteilebene neben den strukturellen Leistungseigenschaften auch weitere qualitative Indikatoren. „Dazu zählten die ‚Bewertungsfreundlichkeit‘, welche die Verfügbarkeit, die Anwendungsfreundlichkeit und die Genauigkeit der Methoden zur Prognose der strukturellen Leistung der verschiedenen Lösungen wiedergibt, und die ‚Implementierungsfreundlichkeit‘, die Aussagen über Aspekte der Implementierung, Wartung und Kosten der Werkstoffe trifft“, erläutert Lopes.

Zusätzliche Vorteile

Anhand sehr präziser Finite-Elemente-Analysen wurden im Auswahlverfahren mehr als 30 Lösungen für den nächsten Bewertungsschritt ermittelt. Ergebnis war eine noch zuverlässigere Einstufung von mehr als zwanzig bewerteten Lösungen. Lopes zufolge „wurden diese dann auf 14 Lösungen reduziert, die im Rahmen eines weiteren Clean Sky 2-Projekts tatsächlich angefertigt und bewertet wurden.“ REDISH gelang die Beschreibung des Materialverhaltens für verschiedene Längen von einer Lage über das Laminat bis hin zur Bauteilebene. Ein weiterer Vorteil dieses Bottom-up-Ansatzes besteht darin, dass Veränderungen in den Eigenschaften der Komponenten (Fasern, Matrizen), der Faserarchitektur oder im Laminataufbau problemlos einfließen können und somit neue Vorhersagen über das makroskopische Verhalten des Verbundwerkstoffes bei einem Aufprall getroffen werden können. Lopes erklärt abschließend: „Außerdem wird die luftfahrttaugliche Abschirmung gegen hochenergetischen Aufprall auch Schutz vor anderen Bedrohungen wie etwa Terroranschlägen bieten“.

Schlüsselbegriffe

REDISH, Abschirmung, Schichtstoff, Laminat, Hartgewebe, Flugzeug, Emissionen, gegenläufiger offener Rotor (CROR), Treibstoffeffizienz, Verbundwerkstoff

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