Flugzeugstrukturen
bzw. die Strukturelemente, die die Flugzeugstrukturen bilden, sind
im Rahmen der Einsatzspektren, d. h. Stillstand, Fahrt oder Flug,
eines Flugzeugs in verschiedenen Szenarien durch das Auftreffen
von Objekten (impact) belastet. Beispiele hierfür sind Vogelschlag, Rotorscheibenbruch
in Haupt- bzw. Hilfstriebwerken, Abplatzen von Fahrwerksreifenstücken, Steinschlag,
herabfallende Werkzeuge während
Wartungsarbeiten usw. Die Außenhaut
und weitere Bereiche des Flugzeugs, die durch das Auftreffen derartiger
Objekte bedroht sind, müssen
gewisse, in der Regel durch entsprechende Vorschriften vorgegebene
Mindest-Belastbarkeitsgrenzen einhalten. Beispielsweise muss ein
Flugzeug nach einer Kollision mit einem Vogel entsprechend der Vorschrift
JAR/FAR § 25.631
in der Lage sein, den Flug sicher fortzuführen sowie eine sichere Landung
durchzuführen.
Die im Wesentlichen betroffenen Bereiche eines Flugzeugs sind die
Nasenkästen
des Tragwerkes bzw. der Flügel,
die Nasenkästen
von Höhen-
und Seitenleitwerk, die Rumpfstrukturen, wie z. B. Cockpit, Radom,
Farings, Fahrwerkstüren,
Bug-Fahrwerksschaft usw., die Landeklappen sowie die Slats und die
Krüger-Flaps.
Die betroffenen Strukturelemente müssen dabei dem Auftreffen eines Objekts
insoweit standhalten, dass die Fortsetzung eines sicheren Fluges
und die Durchführung
einer sicheren Landung gewährleistet
ist. Im Falle von Nasenkästen
wird zum Beispiel davon ausgegangen, dass dieses Bauteil durch einen
Vogelaufprall zerstört
wird, gleichzeitig verliert der Vogel jedoch kinetische Energie,
so dass die verbleibende Restenergie vom Vorderholm ohne gravierende
Schädigung
absorbiert werden kann.
Die
Aufgabe der Erfindung ist damit, ein Strukturelement für Bereiche
eines Luftfahrzeuges bereitzustellen, die bei Stillstand und/oder
beim Flug vom Auftreffen von Objekten bedroht sind, das eine geringere
Wandstärke
und damit ein geringeres Gewicht als herkömmliche Strukturen bei gleichzeitiger Verbesserung
des Auftreff-Widerstandes aufweist.
Die
Aufgabe wird durch ein Strukturelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Das
erfindungsgemäße Strukturelement
umfasst mindestens eine erste Deckschicht zur Aufnahme und Übertragung
von Betriebslasten und zur Gewährleistung
der Formsteifigkeit des Strukturelements, und eine energie-absorbierende
Zwischenschicht mit einer größeren Bruchdehnung
als die erste Deckschicht zur Aufnahme eines wesentlichen Teils
der kinetischen Energie beim Auftreffen eines Objektes auf das Strukturelement, wobei
die energie-absorbierende Zwischenschicht dergestalt mit der ersten
Deckschicht verbunden ist, dass im eingebauten Zustand des Strukturelements in
einen vorbestimmen Bereich eines Luftfahrzeuges auf das Strukturelement
auftreffende Objekte zuerst auf die erste Deckschicht treffen und
dass zumindest ein Teil der energie-absorbierenden Zwischenschicht relativ
zur ersten Deckschicht verschiebbar ist. Das erfindungsgemäße Strukturelement
weist daher im Vergleich zu herkömmlichen
Strukturen den Vorteil auf, dass die Wandstärke der Strukturelemente der entsprechenden
Bereiche des Luftfahrzeuges und damit das Gewicht wesentlich reduziert
werden können,
wobei gleichzeitig der Auftreffwiderstand bzw. die Impact- Resistenz der betroffenen
Strukturen erhöht
wird. Weiterhin wird durch das erfindungsgemäße Strukturelement die Verwendung
zusätzlicher
und damit gewichtserhöhender
stoßabsorbierender
Zusatzstrukturen vermieden, d. h. es müssen keine zusätzlichen
Impact-Absorber in ohnehin beengten Bauräumen installiert werden. Damit
verbunden ist auch die Vermeidung zusätzlicher und damit gewichtserhöhender Befestigungspunkte
derartiger zusätzlicher
Energie-absorbierender Strukturelemente. Ein weiterer Vorteil des
erfindungsgemäßen Strukturelementes
ist die hohe Wartungsfreundlichkeit, da keine zusätzliche
Wartung und Inspektion notwendig sind. Weiterhin ist der Schutz
der den wesentlichen Teil der kinetischen Energie eines auftreffenden
Objekts aufnehmenden energie-absorbierenden Zwischenschicht durch
die erste Deckschicht gegeben. Hierdurch entsteht bei der Fertigungs-Endmontage und
bei der Wartung für
das Bedienpersonal kein zusätzlicher
Aufwand zum Schutz des Strukturelementes, wie beispielsweise beim
An- und Abbau von Nasenteilen. Durch die Verwendung spezieller Materialien
für die
Deckschicht und die energie-absorbierende Zwischenschicht können dabei
weitere Gewichtsvorteile erzielt werden.
Das
erfindungsgemäße Strukturelement kann
auf sämtliche
durch das Auftreffen von Objekten gefährdete Bereiche eines Flugzeuges übertragen
werden, wie z. B. das Tragwerk (Paneele, Rippen, Holme, Nasenkästen), Leitwerk
(Paneele, Rippen, Holme, Nasenkästen),
Rumpf (Schalen), Triebwerk (Verkleidung/Containment) und Vorflügel (Slats, Krüger-Flaps).
Weiterhin ist das erfindungsgemäße Strukturelement
für alle
Arten von Luftfahrzeugen einsetzbar, bei denen die obigen Erfordernisse
erfüllt werden
müssen,
wie z. B. Flugzeugen, Motorseglern, Segelflugzeugen und Drehflüglern.
Vorteilhafterweise
umfasst das erfindungsgemäße Strukturelement
eine zweite Deckschicht, die auf der der ersten Deckschicht gegenüberliegenden
Seite der energieabsorbierenden Zwischenschicht angeordnet ist.
Hierdurch ergibt sich eine vorteilhafte Sandwich-Bauweise, bei der
die zwischenliegende energie-absorbierende Zwischenschicht von der
ersten und zweiten Deckschicht geschützt ist.
Vorteilhafterweise
ist die energie-absorbierende Zwischenschicht nur in Randbereichen
mit der ersten und ggf. mit der zweiten Deckschicht verbunden. Hierdurch
ergibt sich die relative Verschiebbarkeit zwischen der energie-absorbierende
Zwischenschicht und der Deckschicht im Mittelbereich des Strukturelementes.
Vorteilhafterweise
besteht die energie-absorbierende Zwischenschicht aus zumindest
einer Gewebeschicht, die beispielsweise eine Schicht aus trockenem
bis harz-armen Gewebe sein kann. Hierbei besteht die energie-absorbierende
Zwischenschicht vorteilhafterweise aus einer Schicht Aramidfaser und/oder
aus PBO (Poly(p-phenylene-2.6(-benzobisoxazole).
In
einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturelementes bestehen
die ersten und ggf. die zweite Deckschicht vorteilhafterweise zumindest
Teilweise aus Metall. Dabei kann die energie-absorbierende Zwischenschicht
in Randbereichen mit der ersten und ggf. der zweiten Deckschicht
verklebt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die energie-absorbierende
Zwischenschicht in Randbereichen mit der ersten und ggf. der zweiten
Deckschicht durch Nieten verbunden sein.
In
einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturelements bilden
die erste und ggf. die zweite Deckschicht und die energie-absorbierende
Zwischenschicht eine Faserverbundstruktur. Hierbei ist vorteilhafterweise
zwischen der energieabsorbierenden Zwischenschicht und der ersten
bzw. der zweiten Deckschicht eine Trennfolie angeordnet, um die
Verschiebbarkeit zwischen energie-absorbierender Zwischenschicht
und erster bzw. zweiter Deckschicht zu gewährleisten. Alternativ weisen
die energie-absorbierende Zwischenschicht und/oder die erste bzw.
zweite Deckschicht vorteilhafterweise eine Oberflächenbeschichtung
dergestalt auf, dass die Verschiebbarkeit zwischen energie-absorbierender
Zwischenschicht und erster bzw. zweiter Deckschicht gewährleistet
ist.
Bei
beiden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strukturelements sind die
erste und ggf. die zweite Deckschicht und die energie-absorbierende
Zwischenschicht am Rand vorteilhafterweise dergestalt verklebt,
dass die energie-absorbierende Zwischenschicht im Wesentlichen vor
Feuchtigkeitseinflüssen
geschützt
ist.
Das
erfindungsgemäße Strukturelement
wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert,
in denen zeigen
1 eine
schematische Perspektivansicht eines Flugzeuges,
2 eine
schematische Perspektivansicht eines Teils eines Flugzeugrumpfes,
3 eine
schematische Perspektivansicht einer Tragfläche des in 1 gezeigten
Flugzeuges,
4 eine
schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strukturelements,
5 einen
Schnitt entlang der Linie A-A des in 4 gezeigten
Strukturelementes,
6 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Strukturelementes,
und
7 einen
Schnitt entlang der Linie B-B des in 6 gezeigten
Strukturlementes.
1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Flugzeuges 1 zur Verdeutlichung
der Bereiche, die bei Stillstand, Fahrt und/oder Flug durch das
Auftreffen von Objekten, wie z. B. Vögeln, Steinen, etc. bedroht
sind. Das erfindungsgemäße Strukturelement
kann in allen derartigen Bereichen des in 1 gezeigten
Flugzeuges Verwendung finden. Dabei ist hervorzuheben, dass die
Verwendung des erfindungsgemäßen Strukturelementes
nicht auf Flugzeuge beschränkt
ist, sondern bei jeder An von Luftfahrzeugen zum Einsatz kommen
kann, bei denen ähnliche
oder gleiche Bedingungen an die verwendeten Strukturelemente gestellt
werden.
Das
erfindungsgemäße Strukturelement, das
weiter unten in Bezug auf die 4 bis 7 im Detail
erläutert
wird, kann beispielsweise in den Bereichen des Flugzeugs 1 zum
Einsatz kommen, die in 1 zu erkennen sind. Diese Bereiche
sind beispielsweise der Rumpf 2 des Flugzeuges 1,
das Tragwerk mit den Tragflächen 3 zu
beiden Seiten des Rumpfes, sowie das Leitwerk 4 am Heck
des Flugzeugs 1. Auch das Triebwerk 5 bzw. dessen
Verkleidung im in der 1 gezeigten Beispiel an der
Nase des Flugzeugs angeordnet, kann als Einsatzbereich des erfindungsgemäßen Strukturelementes
dienen.
Die
Tragflächen 3 umfassen
im dargestellten Beispiel an ihrer Hinterkante jeweils eine Landeklappe 6,
ein Querruder 7, eine Trimmklappe 8 an der dem
Rumpf zugewandten Seite des Querruders 7 sowie eine Bügelkante 9 etwa
mittig am Querruder 7. Das Leitwerk 4 umfasst
eine sich vertikal erstreckende Seitenflosse 10, an dessen
hinterer Kante ein Seitenruder 11 angeordnet ist. Am Seitenruder 11 sind eine
Trimmklappe 12 und eine Bügelkante 13 angeordnet.
Das Leitwerk 4 umfasst weiterhin zwei sich horizontal erstreckende
Höhenleitwerke,
die jeweils eine Höhenflosse 14 umfassen,
an dessen hinterer Kante je ein Höhenruder 15 angeordnet
ist. Jedes Höhenruder 15 umfasst
eine Trimmklappe 16 und eine Bügelkante 17.
Alle
am Flugzeug 1 von 1 gezeigten
und auch weitere, nicht dargestellte Elemente sind potentiell durch
das Auftreffen von Objekten bedroht und können daher als Einsatzbereiche
für das
erfindungsgemäße Strukturelement
dienen.
In 2 ist
eine schematische Perspektivansicht eines Rumpfteiles 2 in
Schalenbauweise dargestellt, wie sie bei modernen Flugzeugen häufig zum Einsatz
kommt. Die Außenhaut 18 ist
im Wesentlichen aus erfindungsgemäßen Strukturelementen 19 gebildet.
Die Struktur des Rumpfteiles 2 wird durch Spanten 20 und
Längsträger 21 bestimmt,
an denen die erfindungsgemäßen Strukturelemente 19 als
Außenhaut 18 befestigt
sind. Obwohl die Strukturelemente 19 die eigentliche Außenhaut
des Rumpfes 2 bilden, können
auch die Spanten 20 und Längsträger 21 als Strukturelemente
mit der erfindungsgemäßen Bauart
ausgebildet sein.
In 3 ist
eine schematische Perspektivansicht einer Tragfläche 3 des in 1 gezeigten
Flugzeuges 1 im Detail dargestellt. Neben den in 1 gezeigten
Elementen umfasst die Tragfläche 3 einen oder
mehrere Längsholme 24 und
quer zu dem oder den Längsholmen 24 angeordnete
Rippen 25, die die innere Struktur der Tragfläche 3 bilden.
Die Außenhaut 22 der
Tragfläche 3 wird
dabei durch erfindungsgemäße Strukturelemente 23 gebildet,
die die Rippen 25 und ggf. auch die Holme 24 überdecken
und an ihnen befestigt sind. Ein Strukturelement 23 kann sich
dabei beispielsweise jeweils zwischen zwei nebeneinander liegenden
Rippen 25 erstrecken. Im in der 3 gezeigten
Beispiel ist der obere Teil des Holmes 24 freiliegend,
so dass beispielsweise auch dieser Teil des Holmes 24 durch
ein Strukturelement mit der erfindungsgemäßen Bauweise gebildet sein kann.
Das Gleiche gilt für
die Rippen 25, die ebenfalls als Strukturelemente mit der
erfindungsgemäßen Bauweise
ausgebildet sein können.
Die Tragfläche 3 umfasst
an ihrem dem Rumpf abgewandten Ende eine Endkappe bzw. einen Randbogen 26,
deren/dessen Außenhaut
ebenfalls aus erfindungsgemäßen Strukturelementen
bestehen kann.
In
den 4 bis 7 sind zwei Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Strukturelementes
dargestellt. Die Bauweise des erfindungsgemäßen Strukturelementes basiert
dabei auf der Idee, den durch ein auftreffendes Objekt ausgelösten Impuls
durch eine maximale Dehnung des Strukturelementes während des
Auftreffens zu absorbieren. Hierzu umfassen beide in den 4 bis 7 dargestellten
Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Strukturelementes 27 bzw. 33 mindestens
eine erste Deckschicht 28 bzw. 34 zur Aufnahme
und Übertragung
von Betriebslasten und zur Gewährleistung
der Formsteifigkeit des Strukturelementes 27 bzw. 33,
und eine energie-absorbierende Zwischenschicht 30 bzw. 36 mit
einer größeren Bruchdehnung als
die erste Deckschicht 28 bzw. 34 zur Aufnahme eines
wesentlichen Teils der kinetischen Energie beim Auftreffen eines
Objekts auf das Strukturelement. Die energie-absorbierende Zwischenschicht 30 bzw. 36 ist
dabei dergestalt mit der ersten Deckschicht 28 bzw. 34 verbunden,
dass im eingebauten Zustand des Strukturelementes 27 bzw. 33 in
einem vorbestimmten Bereich eines Flugzeuges 1 auf das Strukturelement
auftreffende Objekte zuerst auf die erste Deckschicht 28 bzw. 34 treffen
und das zumindest ein Teil der energie-absorbierenden Zwischenschicht 30 bzw. 36 relativ
zur ersten Deckschicht 28 bzw. 34 verschiebbar
ist. Bei beiden in den 4 bis 7 gezeigten
Ausführungsbeispielen
umfasst das erfindungsgemäße Strukturelement 27 bzw. 33 eine zweite
Deckschicht 29 bzw. 35, die auf der der ersten Deckschicht 28 bzw. 34 gegenüberliegenden
Seite der energie-absorbierenden Zwischenschicht 30 bzw. 36 angeordnet
ist. Diese Sandwich-Bauweise hat den Vorteil eines zusätzlichen
mechanischen Schutzes der innenliegenden energie-absorbierenden
Zwischenschicht 30 bzw. 36 und kann gegebenenfalls
auch als zusätzliches
lastübertragendes
Element eingesetzt werden.
Bei
beiden gezeigten Ausführungsbeispielen ist
die energie-absorbierende Zwischenschicht 30 bzw. 36 nur
in Randbereichen mit der ersten und der zweiten Deckschicht verbunden,
so dass sich die energie-absorbierende Zwischenschicht 30 bzw. 36 im mittleren
Bereich des Strukturelementes 27 bzw. 33 beim
Auftreffen eines Objektes relativ zur ersten und zur zweiten Deckschicht
frei verschieben kann und keine Dehnungsbehinderung besteht.
Die
Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Strukturelementes 27 bzw. 33 ist
im Folgenden näher erläutert. Die
erste und die zweite Deckschicht stabilisieren die dazwischen liegende,
flexible und nachgiebige energie-absorbierende Zwischenschicht 30 bzw. 36,
wobei die erste Deckschicht 28 bzw. 34 als erste
betroffene Schicht die kinetische Energie eines auftreffenden Objektes
reduziert. Die erste und die zweite Deckschicht weisen eine geringere
Bruchdehnung als die zwischenliegende energieabsorbierende Zwischenschicht 30 bzw. 36 auf.
Beim Auftreffen eines Objektes wird nahezu synchron, d. h. mit einem zeitlichen
Versatz von ca. 0,5 msec die maximale Bruchdehnung der zweiten Deckschicht
erreicht. Nach dem die erste Deckschicht und die zweite Deckschicht
beim Auftreffen eines Objekts daher nahezu gleichzeitig ihre maximale
Bruchdehnung erreichen, wird die kinetische Energie des auftreffenden Objekts
im Wesentlichen durch die energie-absorbierende Zwischenschicht 30 bzw. 36 aufgenommen, die
sich infolge der größeren Bruchdehnung
stärker als
die erste und zweite Deckschicht und durch die relative Verschiebbarkeit
verformen und daher wirksam zur Energieabsorption beitragen können. Durch die
fehlende Verbindung im mittleren Bereich zwischen der energie-absorbierenden
Zwischenschicht 30 bzw. 36 und der ersten bzw.
zweiten Deckschicht wird eine Dehnungsbehinderung vermieden und damit
ein Maximum an Energieabsorption erreicht. Die Energieaufnahmefähigkeit
der energie-absorbierenden Zwischenschicht 30 bzw. 36 wird
dabei insbesondere auch durch die Formgebung des Strukturelementes 27 bzw. 33 erhöht. Besonders
hoch ist die Energieaufnahmefähigkeit
für die
in den 4 und 6 gezeigten Beispiele einer
konvexen Formgebung, wie sie beispielsweise für die Strukturelemente an den
Nasenkästen
des Tragwerkes und Leitwerkes usw. verwendet wird. Die Formstabilität des Strukturelementes 27 bzw. 33 wird
dabei durch die erste und die zweite Deckschicht gewährleistet.
Die
energie-absorbierende Zwischenschicht 30 bzw. 36 besteht
vorteilhafterweise aus einer Gewebeschicht aus trockenem bis harz-armen
Gewebelagen aus Aramidfaser oder PBO (Poly(p-phenylene-2.6)-benzobisoxazole).
Die erste und die zweite Deckschicht 28 und 29 des
in den 4 und 5 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Strukturelementes 27 bilden
zusammen mit der zwischenliegenden energie-absorbierenden Zwischenschicht 30 eine
Faserverbundstruktur in Platten- oder Schalenbauweise. Die energie-absorbierende
Zwischenschicht 30 wird dabei im Rahmen der Herstellung
beim Autoklav-Zyklus zwischen die erste und die zweite Deckschicht 28 bzw. 29 aus
Gewebe eingelegt. Danach wird die energie-absorbierende Zwischenschicht 30,
die aus Gewebe besteht, beim Aushärtungsprozess nicht mit Harz
durchtränkt,
dies kann beispielsweise durch Trennfolien 31 zwischen
der energieabsorbierenden Zwischenschicht 30 und der ersten
bzw. zweiten Deckschicht 28 bzw. 29 oder durch
geeignete Oberflächenbeschichtung
des Gewebes der energieabsorbierenden Zwischenschicht 30 oder
der ersten bzw. zweiten Deckschicht 28 bzw. 29 erreicht
werden. Gleichzeitig kann im Rahmen des Herstellungsprozesses die
Fixierung bzw. Befestigung der energie-absorbierenden Zwischenschicht 30 zwischen der
ersten und der zweiten Deckschicht 28 bzw. 29 durch
Harzauftrag bzw. Zurückschneiden
der Trennfolien 31 gezielt gesteuert werden. Das Resultat
dieser Vorgehensweise ist, dass die energie-absorbierende Zwischenschicht 30 im
mittleren Bereich, d. h. beispielsweise im Bereich der Trennfolien 31,
gegenüber
der ersten und der zweiten Deckschicht 28 bzw. 29 verschiebbar
und frei beweglich, während
sie im Randbereich 32 mit der ersten und der zweiten Deckschicht 28 bzw. 29 verbunden
ist.
Die
in den 6 und 7 dargestellten Seitenausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Strukturelementes 33 sind
die erste und die zweite Deckschicht 35 bzw. 37 aus
einer metallischen Struktur, wie z. B. einem Metallblech, gebildet.
Die Fixierung der energie-absorbierenden Zwischenschicht 36 zwischen
der ersten und der zweiten metallischen Deckschicht 34 bzw. 35 erfolgt
beispielsweise durch eine Verklebung im Randbereich, oder auch durch eine
Vernietung mittels Nieten 37 wie in 6 dargestellt
ist. Da die energie-absorbierende Zwischenschicht 36 nur
in Randbereichen mit der ersten und der zweiten Deckschicht 34 bzw. 35 verbunden
ist, ist die relative Verschiebbarkeit im mittleren Bereich gewährleistet.
Typische Bruchdehnungen für
die erste und zweite Deckschicht 34 bzw. 35 aus
einer metallischen Struktur liegen zwischen 5 und 10 % im Vergleich
zu 0,8 bis 1,1 % bei einer ersten und zweiten Deckschicht 28 bzw. 29 in
einer Faserverbundstruktur. Ursache hierfür ist das große plastische
Verformungsverhalten von metallischen Strukturen. Daher sollte die
Bruchdehnung der energie-absorbierenden Zwischenschicht 36 des
zweiten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Strukturelements 33 größer als
5 bis 10 % sein, beispielsweise 10 bis 20 % . Für die energie-absorbierende
Zwischenschicht 30 des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäß Strukturelementes 27 ist
es ausreichend, wenn die Bruchdehnung größer als 0,8 bis 1,1 % , beispielsweise
1,1 bis 10 % beträgt.
Bei
beiden Ausführungsbeispielen
des erfindungsgemäßen Strukturelements 27 bzw. 33 ist
es sinnvoll, die erste und die zweite Deckschicht und die energie-absorbierende
Zwischenschicht 30 bzw. 36 am Rand zusätzlich dergestalt
zu verkleben, dass die energie-absorbierende Zwischenschicht 30 bzw. 36 vor
Feuchtigkeitseinflüssen
geschützt
ist, um die Verschiebbarkeit der energie-absorbierenden Zwischenschicht
auch langfristig zu gewährleisten.