Modernste Rumpfabschirmung könnte Propfan-Flugzeug helfen, abzuheben
In den kommenden Jahrzehnten sind in der Flugzeugindustrie enorme technologische Veränderungen zu erwarten. Um den strengen Vorgaben für reduzierten Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen nachzukommen, sind dringend neue Motor- und Materialkonzepte gefragt. Der gegenläufige offene Rotor (Counter-rotating open rotor, CROR), auch als Propfan bekannt, ist ein vielversprechendes Konzept für die nächste Generation von Verkehrsflugzeugen, da so der Treibstoffverbrauch um 20 bis 30 % gesenkt werden könnte. Für den sicheren Einsatz muss jedoch dafür gesorgt werden, dass Flugzeuge bei Ausfällen von Triebwerken mit offenen Rotoren geringstmöglichen Schaden nehmen. So lag der Schwerpunkt des EU-finanzierten Projekts ELEMENT auf praktischen Lösungen und Modellen, um die Risiken unbeherrschbarer Triebwerksausfälle zu verringern. „Trümmerteile, die mit hoher Energie auf den Rumpf auftreffen, können beträchtliche strukturelle Schäden verursachen und damit die Sicherheit von Flugzeugen und Passagieren beeinträchtigen“, erläutert Projektkoordinator Jorge López-Puente.
Reale Simulationtests mit virtuellen Modellen
Das Projektteam validierte den Reifegrad mehrerer Konfigurationen für Abschirmvorrichtungen, die das Realgewicht minimieren und das Flugzeug vor Triebwerksschäden jeglicher Art schützen. An einfachen Platten und repräsentativen Flugzeugkonstruktionen in Originalgröße wurden physikalische wie auch virtuelle Aufpralltests mit Trümmerteilen durchgeführt, die mit hoher Geschwindigkeit aus dem Triebwerk geschleudert werden. „Virtuelle Tests können experimentelle Tests zahlen- und kostenmäßig reduzieren und so auf die für die Flugzeugzertifizierung erforderliche Mindestanzahl begrenzen. Bei Computersimulationen sind jedoch bislang meist statische statt dynamische Bedingungen die Regel“, wie López-Puente erklärt. Virtuelle Tests könnten maßgeblich für flexibleres Produktdesign und eine schnellere Zertifizierung neuer Konzepte sorgen, während gleichzeitig höchsten Sicherheitsstandards genügt wird. Intensiv wurde dabei der Versuchsaufbau für Tests auf Coupon-Ebene vorbereitet. Das Prismenfragment für die Rotorblätter wurde aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gefertigt, die metallischen Fragmente hingegen wurden durch eine Stahlkugel simuliert. Weiterhin wurden verschiedene Versuchsaufbauten für Vorrichtung und Material entwickelt und getestet, die sowohl starre als auch flexible Abschirmungen integrieren. Insgesamt wurden mehr als 300 Tests auf Coupon-Ebene mit einem pneumatischen Werfer durchgeführt. Die absorbierte Energie und Restgeschwindigkeit der Trümmerteile in der Abschirmvorrichtung wurde mittels Zeitrafferkamera aufgenommen.
Physikalische Aufprallanalyse am Flugzeug
Zunächst wurden experimentelle physikalische Tests durchgeführt, die den virtuellen Modellen vollständig entsprachen, um die Aufprallwirkung unkontrolliert ausgeschleuderter Trümmerteile zu beurteilen. Wichtig war hier, dass die Tests nicht die Zerstörung des Triebwerks nach sich zogen. „Für größere Testkonfigurationen, wie sie realen Flugzeugkonstruktionen entsprechen, lassen sich die Kosten experimenteller Tests erheblich reduzieren. Zudem sind die Testverfahren wiederholbar, was Voraussetzung beim Prüfen integrierter Lösungen ist. Letztlich könnten auf dieser Basis neue Maßgaben für kostengünstigere Zertifizierungstests erstellt werden“, merkt er an. „Um Kosten zu reduzieren, erfolgen experimentelle Tests in der Regel an Prüflingen mit kleineren Abmessungen. Studien mit beschädigten Flugzeugkomponenten in Originalgröße sind entweder nicht frei zugänglich oder existieren gar nicht“, ergänzt López-Puente. Zudem werden in bisherigen Studien meist metallische Fragmente verwendet, die sich beim Aufprall auf das Flugzeug kaum verformen, oder weiche Körper wie Vögel, die dabei gänzlich zerstört werden. Studien mit Fragmenten oder Rumpfteilen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff liegen kaum vor, und ihr mechanisches Verhalten kann vom Verhalten anderer bislang beschriebener Materialien abweichen. Die experimentellen und theoretischen Ergebnisse des Projekts könnten den künftigen Einsatz von CROR-Triebwerken im Flugzeugbau deutlich voranbringen, aber auch für andere Bereiche wie Hochgeschwindigkeitsschienen relevant werden – etwa um Schäden an Zügen durch Gleisschotter zu berechnen.
Schlüsselbegriffe
ELEMENT, Trümmerteile, Abschirmvorrichtung, unbeherrschbarer Triebwerksausfall, gegenläufiger offener Rotor, CROR, virtueller Test, kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff