Ein leistungsstarker piezoelektrischer Antrieb für Flugzeugfahrwerke
Ein verstärkt elektrischer Betrieb von Flugzeugen könnte dazu beitragen, das Gewicht, den Treibstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen zu verringern, was nicht nur der Umwelt zugute käme, sondern auch die Kosten für Fluggesellschaften und Fluggäste senken würde. Hydraulische Systeme eignen sich hervorragend als elektrische Ersatzbauteile. „Die Elektrifizierung dieser Systeme reduziert auch die Umweltverschmutzung sowie den Zeit- und Kostenaufwand für die Wartung, da Leckageöle genutzt werden“, sagt Alexandre Pages, Koordinator des EU-finanzierten Projekts AUDACITY. AUDACITY hat an einem Demonstrator eines kompakten piezoelektrischen Aktors für künftige Verriegelungsanwendungen in Fahrwerkssystemen gearbeitet, der stark genug ist, um 35 kg anzuheben.
Stellantriebe
Aktoren (vereinfacht gesagt: Motoren) sind die für die Bewegung verantwortlichen Teile mechanischer Systeme. Hydraulische Stellantriebe erreichen dies, indem sie die von Flüssigkeiten erzeugte Energie in mechanische Energie umwandeln. AUDACITY wollte einen elektrischen Aktor entwickeln, der für den kleinen Einrastmechanismus in Flugzeugen verantwortlich ist. Dieser arretiert das Fahrwerk in seiner jeweiligen Position – ausgefahren für die Landung oder eingefahren für den Flug. Die technische Anforderung besteht darin, ein geringes Leistungsgewicht in Kombination mit einem Mechanismus mit langem Hub zu erreichen. „Unsere Herausforderung, die im Akronym AUDACITY des Projekts zum Ausdruck kommt, bestand darin, dass hydraulische Antriebe leistungsstark und effizient sind, also bereits erfolgversprechend“, fügt Pages hinzu. Die Lösung von AUDACITY basiert auf der piezoelektrischen Antriebstechnologie. Hier stammt die Energie für den Antrieb mechanischer Komponenten aus einer elektrischen Ladung, die durch mechanische Beanspruchung erzeugt wird. „Obwohl dieser piezoelektrische Ansatz nicht neu war, besteht nach wie vor eine Reihe von Einschränkungen, wie thermische Stabilität, begrenzte Geschwindigkeit, Energiemanagement und schlechte Reibungsschnittstellen“, erklärt Pages. „Wir haben die Lösungen für jedes Problem miteinander kombiniert, um einen Demonstrator zu erstellen.“
Anlauf nehmen
Das Team arbeitete mit Sachverständigen (darunter Francesco Massi, Professor an der Universität Rom) aus dem Bereich der Tribologie – die Wissenschaft der Reibung – an der Universität (dem Projektpartner) zusammen. Die Fähigkeit, die von Aktoren unvermeidlich erzeugte Reibung zu beherrschen, ist der Schlüssel zu ihrer Zuverlässigkeit – insbesondere in Flugzeugen mit ihren strengen Sicherheitsanforderungen. Die zweite wichtige Vorgabe für das Design war die Aufnahme von Mikrobewegungen (10 bis 100 Mikrometer klein), die thermomechanische Fehlanpassungen auslösen und die Zuverlässigkeit des Systems gefährden könnten. Dafür arbeitete das Team mit seinem weiteren Partner CSEM in der Schweiz zusammen. Schliesslich musste die Elektronik auch die nötige Energie liefern. Zu diesem Zweck stellte der Projektträger CEDRAT TECHNOLOGIES eine Lösung auf der Grundlage eines Schaltverstärkers, SA75D, zur Verfügung, der eine hohe piezoelektrische Umwandlungseffizienz ermöglicht. Zudem kann diese Lösung sogar zwischen den Schritten des piezoelektrischen Motors Energie gewinnen, sodass die Konstruktion kompakt bleibt und nur wenig Energie verbraucht. „Piezoelektrische Aktoren sind im Vergleich zu anderen konventionellen Lösungen in der Regel nicht sehr effizient. Um große Nutzlasten zu bewegen, wird leistungsfähige Elektronik benötigt. Ich bin davon überzeugt, dass wir den stärksten Piezomotor der Welt entwickelt haben. Wir haben demonstriert, dass er in der Lage ist, 35 Kilo zu heben – bei 10 Millimetern pro Sekunde und über einen großen Temperaturbereich – ein Durchbruch“, so Pages.
Ausrichtung auf andere Märkte
AUDACITY leistet einen direkten Beitrag zum Konzept MEA (More Electric Aircraft) sowie zur EU-Initiative Clean Sky, die beide auf eine Verringerung der durch die Luftfahrtindustrie erzeugten Umweltauswirkungen abzielen. Außerdem trägt das Projekt dazu bei, die europäische Wettbewerbsfähigkeit entlang der Lieferketten zu stärken, indem die erforderlichen Technologien vorangebracht werden. Der piezoelektrische Antrieb von AUDACITY ist ein früher Prototyp, der erfolgreich im Labor getestet wurde, um das Design zu validieren. Er muss jedoch noch hergestellt und in betrieblichen Umgebungen geprüft werden, bevor er möglicherweise für Flugzeuge kommerziell genutzt werden könnte. In der Zwischenzeit erforscht CEDRAT weitere Anwendungsmöglichkeiten für diese Technologie. „Wir setzen die einzelnen Technologien bereits auf anderen Märkten ein, wie etwa im Kernfusionsenergieprogramm ITER, und befassen uns mit extrem großen Teleskopen, bei denen wirklich schwere Optiken präzise, langsam und zuverlässig bewegt werden müssen“, schließt Pages. „Genau die Spezifikationen, die AUDACITY erreicht hat.“
Schlüsselbegriffe
AUDACITY, Aktor, piezoelektrisch, Flugzeug, Hydraulik, Öl, Verschmutzung, Clean Sky
