Ein Flugzeug der nächsten Generation: Untersuchung von Verbundstrukturen mit optischen Dehnungsmessstreifen

Die optischen Dehnungsmessstreifen-Systeme von HBM (Abb. 3) wurden zunächst zur Strukturprüfung der Canardflügelkonstruktion des ATDs genutzt. Dabei lässt ein Hydraulik-Stellantrieb variable Lasten auf den Flügel einwirken. Eines der Ziele des Projekts war die Überwachung der Auswirkungen von Schlagbeschädigungen auf den Canardflügel mithilfe von optischen Dehnungsmessstreifen mit 18 Kanälen (Abb. 4). Für die Forscher stand außerdem die Entwicklung eines sogenannten "Health Monitoring System" (HMS) zur Überwachung neuer Flügelstrukturen mit optischen Dehnungsmessstreifen im Zentrum des Interesses.

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Abb. 4 Beispiel für die Überwachung der Schlagstärke und Position

Der Grund für die Entscheidung, optische Dehnungsmessstreifen statt mechanischer Instrumente zu verwenden, war die damit verbundene Minimierung der Explosionsgefahr. Gleichzeitig konnte so sichergestellt werden, dass die Ergebnisse nicht durch Maßnahmen gegen elektromagnetische Effekte (EME) beeinflusst wurden. Insgesamt wurden 20 optische Dehnungsmessstreifen auf dem Flügel verteilt, um die erforderliche Abdeckung für die Belastungsberechnungen zu erzielen (Abb. 5).

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Abb. 5 Überwachungsanzeige des Dehnungsbetrags und geschätztes Dehnungsverteilungsbild anhand der Ergebnisse vor Durchführung der FEA

Die am Projekt beteiligten Forscher konnten gegenüber der Platzierung herkömmlicher mechanischer Dehnungsmessstreifen sehr viel Zeit einsparen, indem sie die optischen Dehnungsmessstreifen nach dem Muster von HBM anbrachten. Die optischen Dehnungsmessstreifen eignen sich sowohl für dynamische als auch für statische Prüfungen an der Struktur.

Zusätzlich verwendeten die Forscher das Messverstärker-SystemMGCplus von HBM in Kombination mit drei DI140-Interrogatoren für optische Dehnungsmessstreifen. Dabei handelt es sich um 4-Kanal-Geräte mit einer Kapazität von bis zu 1000 Messungen/Sekunde. Außerdem wurden zwei M416-Multiplex-Geräte von HBM verwendet, um bis zu 320 optische Messpunkte anschließen zu können und damit voll synchronisierte Messungen in Echtzeit bereitstellen zu können. Die Datenerfassung und -analyse wurde mit der Software catman Enterprise mit Anschluss an alle Geräte durchgeführt.

Die Forschungsarbeiten von JAXA konzentrierten sich sowohl auf die Entwicklung der hochentwickelten Verbundstrukturen als auch auf die intelligente Technik für diese nächste Flugzeuggeneration. Parallel zu den Untersuchungen von JAXA führte die TMU Studien zu möglichen zukünftigen Entwicklungen in der Avionik durch.

Die Forschungsarbeiten fanden in zwei Phasen statt, und in beiden kam Ausrüstung von HBM für die Prüfungen zum Einsatz. In der ersten Phase, die 2011 durchgeführt wurde, wurde ein Technologiedemonstrator (ATD) eines Business-Jets für bis zu 8 Passagiere entwickelt (Abb. 1)

In der zweiten Phase im Jahr 2012 ging es um die Entwicklung eines Jets für den Regionalverkehr für 120 Passagiere. Nach den erfolgreichen Prüfungen am Canardflügel des ATDs (Abb. 2) wurde eine größere Verbundstruktur für einen Flügel mit ungefähr 5 Meter Länge konstruiert und es wurden statische Prüfungen durchgeführt, um die strukturelle Integrität der Kraftstofftanks zu untersuchen, die sich in der Haupttragfläche des Flugzeugs befinden.

Beide Flugzeuge zeichnen sich durch die Verwendung speziell entwickelter carbonfaserverstärkter Schichtverbundwerkstoffe aus. Die sehr stoßfesten Schichtverbundwerkstoffe sind mit Vectranfaser verstärkt, die durch die Schichten hindurch vernäht wurde, um jegliche Beeinträchtigung der strukturellen Stärke durch Schichtspaltung zu verhindern.