Was ist die durchschnittliche Dichte der in einem modernen Verkehrsflugzeug verwendeten Materialien? Was auch immer es ist, die Verringerung der durchschnittlichen Dichte war seit dem Gebrüder Wright flog das erste praktische Flugzeug. Das Bestreben, das Gewicht in Flugzeugen zu reduzieren, ist aggressiv und kontinuierlich und wird durch schnell steigende Treibstoffpreise beschleunigt. Dieser Antrieb senkt die spezifischen Kraftstoffkosten, verbessert die Reichweiten- / Nutzlastgleichung und schont die Umwelt. Verbundwerkstoffe spielen in modernen Flugzeugen eine wichtige Rolle, und der Boeing Dreamliner ist keine Ausnahme, wenn es darum geht, den abnehmenden Gewichtstrend aufrechtzuerhalten.
Verbundwerkstoffe und Gewichtsreduzierung
Der Douglas DC3 (aus dem Jahr 1936) hatte ein Startgewicht von ungefähr 25.200 Pfund mit einer Passagierergänzung von ungefähr 25. Bei einer maximalen Nutzlastreichweite von 350 Meilen sind das ungefähr 3 Pfund pro Passagiermeile. Der Boeing Dreamliner hat ein Startgewicht von 550.000 Pfund und befördert 290 Passagiere. Bei einer Reichweite von über 8.000 Meilen ist das ungefähr ¼ Pfund pro Passagiermeile - 1100% besser!
Düsentriebwerke, besseres Design, gewichtssparende Technologie wie Fly by Wire - alle haben zum Quantensprung beigetragen - aber Verbundwerkstoffe habe eine große Rolle gespielt. Sie werden in der Dreamliner-Flugzeugzelle, den Triebwerken und vielen anderen Komponenten verwendet.
Verwendung von Verbundwerkstoffen in der Dreamliner-Flugzeugzelle
Der Dreamliner hat eine Flugzeugzelle mit fast 50% Kohlefaser verstärkter Kunststoff und andere Verbundwerkstoffe. Dieser Ansatz bietet eine Gewichtsersparnis von durchschnittlich 20 Prozent im Vergleich zu konventionelleren (und veralteten) Aluminium Designs.
Verbundwerkstoffe in der Flugzeugzelle haben ebenfalls Wartungsvorteile. Eine normalerweise geklebte Reparatur kann 24 oder mehr Stunden Ausfallzeit des Flugzeugs erfordern. Boeing hat jedoch eine neue Reihe von Wartungsreparaturfunktionen entwickelt, deren Anwendung weniger als eine Stunde dauert. Diese schnelle Technik bietet die Möglichkeit für vorübergehende Reparaturen und eine schnelle Abwicklung, während solch geringfügige Schäden ein Aluminiumflugzeug geerdet haben könnten. Das ist eine faszinierende Perspektive.
Der Rumpf besteht aus rohrförmigen Segmenten, die dann bei der Endmontage zusammengefügt werden. Durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen sollen 50.000 Nieten pro Flugzeug eingespart werden. Jede Nietstelle hätte eine Wartungsprüfung als potenzielle Fehlerstelle erforderlich gemacht. Und das sind nur Nieten!
Verbundwerkstoffe in den Motoren
Der Dreamliner verfügt über Motoroptionen von GE (GEnx-1B) und Rolls Royce (Trent 1000), und beide verwenden häufig Verbundwerkstoffe. Die Gondeln (Einlass- und Fächerhauben) sind ein offensichtlicher Kandidat für Verbundwerkstoffe. In den Lüfterflügeln der GE-Motoren werden jedoch sogar Verbundwerkstoffe verwendet. Die Klingentechnologie hat sich seit den Tagen des Rolls-Royce RB211 enorm weiterentwickelt. Die frühe Technologie machte das Unternehmen 1971 bankrott, als die Hyfil-Kohlefaser-Lüfterblätter bei Vogelschlagversuchen versagten.
General Electric ist seit 1995 führend in der Titan-Verbund-Lüfterblatttechnologie. Im Dreamliner-Kraftwerk werden Verbundwerkstoffe für die ersten 5 Stufen der 7-stufigen Niederdruckturbine eingesetzt.
Mehr über weniger Gewicht
Was ist mit einigen Zahlen? Das leichte Lüftergehäuse des GE-Kraftwerks reduziert das Flugzeuggewicht um mehr als eine halbe Tonne. Das Gehäuse ist mit Kohlefasergeflecht verstärkt. Dies ist nur die Gewichtsersparnis des Lüftergehäuses und ein wichtiger Indikator für die Festigkeits- / Gewichtsvorteile von Verbundwerkstoffen. Dies liegt daran, dass ein Lüftergehäuse im Falle eines Lüfterausfalls alle Rückstände enthalten muss. Wenn es die Trümmer nicht enthält, kann das Triebwerk nicht für den Flug zertifiziert werden.
Das in Schaufelturbinenschaufeln eingesparte Gewicht spart auch Gewicht im erforderlichen Sicherheitsbehälter und in den Rotoren. Dies vervielfacht die Einsparung und verbessert das Leistungsgewicht.
Insgesamt enthält jeder Dreamliner 33 Tonnen kohlefaserverstärkten Kunststoff, von denen etwa 20 Tonnen Kohlefaser sind.
Fazit
Die frühen Konstruktions- und Produktionsprobleme bei der Verwendung von Verbundwerkstoffen in Flugzeugen wurden nun überwunden. Der Dreamliner ist auf dem Höhepunkt der Treibstoffeffizienz von Flugzeugen, minimierter Umweltbelastung und Sicherheit. Durch die geringere Anzahl von Komponenten, die geringere Wartung und die längere Sendezeit werden die Supportkosten für die Luftfahrtunternehmen erheblich reduziert.
Von Lüfterflügeln über Rumpf und Tragflächen bis hin zu Waschräumen wäre die Effizienz des Dreamliner ohne fortschrittliche Verbundwerkstoffe nicht möglich.