Dr. András Jancsó Konstruktiver Aufbau eines Flugzeugs

Dr. András Jancsó

Konstruktiver Aufbau eines Flugzeugs

Die wissenschaftliche Empirie führt erst im 19. Jahrhundert zu erfolgreichen Tests mit flugfähigen Apparaten, die - zunächst im Gleitflug - geeignet waren, das Gewicht eines Menschen zu tragen.

Otto Lilienthal

Längere Flugstrecken mit einem steuerbaren Flugzeug zurückzulegen, gelang erst mit der Nutzung motorisierter Starrflügelflugzeuge Anfang des 20. Jahrhunderts.

Die Gebrüder Wright legten mit ihren erfolgreich bewiesenen Kenntnissen über den Motorflug den technischen Grundstein für eine rasante Entwicklung in der Geschichte der Luftfahrt, die bis heute fortdauert.

Die Flugzeugkonfiguration von Heute ist so auszulegen, dass das Flugzeug

• möglichst vielseitig verwendet werden kann, • möglichst wirtschaftlich und damit

konkurrenzfähig ist, – Produktionskosten (Entwicklungs-, Material-,

Technologiekosten) – Nutzlast (Gesamtfluggewicht: Konstruktion,

Treibstoff, Personal, Nuzlast)– Reichweite

• höchsten Standard an Sicherheitsanforderungen erfüllt.

Konstruktiver Aufbau des Flugzeuges Konstruktions- KonstruktionsgruppenHauptgruppenFlugwerk Rumpfwerk

TragwerkLeitwerkSteuerwerkFahrwerk

Triebwerksanlage TriebwerkTriebwerkseinbauPropelleranlagenund alle Funktionsanlagen

Ausrüstung StandardausrüstungSonderausrüstungbewegliche Einsatzausrüstung

Rumpfwerk

Der Rumpf dient hauptsächlich • zur Unterbringung von Nutzlast und Besatzung,• zur Verbindung von Flügel und Leitwerk,• eventuell zum Anschluß bzw. zur Unterbringung von Fahrwerk und Triebwerk,• als Druckkabine

Gestaltung des Rumpfs

• Aerodynamik • Nutzvolumen• Materialaufwand

Das günstigste Verhältnis von Rumpflänge zu Rumpfdurchmesser liegt bei Verkehrsflugzeugen zwischen 8 und 12.

Aspekte zum Auswahl der Rumpfkonfigurationen

• Festigkeit – Flugsicherheit• Lastaufnahme – Verwendungszweck• Lufttüchtigkeitsanforderungen • Aerodynamik (Widerstandsbeiwert)• Bauvorschriften

Die gebräuchlichsten Rumpfquerschnittsformen:

1. Viereckrumpf2. Kreisrumpf3. Ellypsenrumpf4. Dreieckrumpf5. Doppelrumpf

Aufteilung des Rumpfwerks in Längsrichtung:

1. Vorderer Rumpfteil2. Mittlerer Rumpfteil3. Hinterer Rumpfteil4. Rumpfende

Rumpf-struktur des Airbus A 300 Nummerierung in Positiver x-Richtung

Flügel-Mittel-Kasten des Airbus A300

Ausschnitt aus dem hinteren Rumpfteil des Airbus A300

1. Druckschott2. Fußboden3. Spant4. Stringer5. Beplankung

Tragwerk

Das Tragwerk dient zur • Erzeugung des notwendigen Auftriebs• Steuerung des Flugs• Kraftstoffaufnahme• u.U. Befestigung der Triebwerke• Unterbringung des Hauptfahrwerks

Belastungen am Tragwerk:

• Luftstreckenlasten• Massenlasten der Flügelkonstruktion• Einzellest aus der Masse der Aggregate (Triebwerk, Kraftstoff, Fahrwerk usw.)

Prinzipschema der Kräfte an einem Tragflügel

1.Gegenkraft zum Auftrieb,2.Gegenkraft zum Widerstand3.Torsionskraft4.Querkraft

Aufbau eines Tragflügels1.mittlerer Torsionskasten,2.vorderer Torsionskasten,3.hinterer Torsionskasten,4.innrere Vorflügel,5.mittlerer Vorflügel,6.äußerer Vorflügel,7.Querruder,8.Bremsklappen,9.innere Landeklappen,10.äußere Landeklappen11.Grenzschichtzaun,12.Randbogen bzw. Winglets

Haptstruktur des Tragflügels des Airbus A300

• Vorderholm (aus einem Stück gefräst)

• Mittelholm (Obergurt/Stegbleche/Untergurt)

• Hinterholm (aus einem Stück gefräst)

• 29 Rippen (jeweils aus einem Stück gefräst)

Haptstruktur des Tragflügels des Airbus A300Hilfsstruktur

• Kastenstruktur durch Beplankungspanels auf der Ober- und Unterseite (gefräste Al-

Platten)• feste Nasenkante• Steuerflächen

Leitwerk

Das Leitwerk dient zur Sicherstellung der

• Stabilität• Steuerbarkeit

Leitwerk

Aufteilung:

Höhenleitwerk (20-30 % der Flügelfläche)Seitenleitwerk (10-20 % der Flügelfläche)

Gebräuchliche Leitwerksformen

1.konventionelle Form,2.Höhenleitwerk in halber Höhe des Seitenleitwerks3.T-Leitwerk4.Seitenleitwerk in zwei Endscheiben aufgeteilt5.dreiteiliges Seitenleitwerk,6.zwei Seitenleitwerke auf Leitwerksträgern,7.V-Leitwerk mit Wirkung als Höhen- und Seitenruder

Struktureller Aufbau eines konventionellen Leitwerks Unabhängig von Leitwerksform:

Zellenkonstruktion, bestehend aus Vorder- und Hinterholm, Rippen Beplankungspanels.

Werkstoff z.B. bei A300-600, A310-300 und A320: CFK.

Struktureller Aufbau eines konventionellen Leitwerks

1.Seitenleitwerk2.Höhenleitwerk3.Höhenleitwerksmittelkasten4.Seitenleitwerksmittelkasten5.Höhenleitwerks-Nasenverkleidung6.Seitenleitwerks-Nasenverkleidung7.Rumpf-Leitwerksanschluß8.Seitenleitwerksflosse9.Höhenleitwerksflosse

Steuerwerk

Hauptsteuerung (dreidimensionale Bewegung um die Längs-, Quer- und Hochachse)

Nebensteuerung (Landeklappen, Nasenklappen, Vorflügel, Störklappen, Trimmung, Geschwindigkeitsbremsen, Steuerungen)

Hauptgruppen der Steuerwerke

• Bedienorgane• Übertragungsbauteile • Ruderflächen

Hauptgruppen der Steuerwerke

• Bedienorgane• Übertragungsbauteile • Ruderflächen

Übertragungsbauteile in den Steuerwerken

Seilzüge spielfreie Kraftübertragung, • Gewichtssparung, • problemlose Kraftumlenkung, • hohe Sicherheit gegen Gewaltbruch und Dauerbruch), • Nachteil: übertragen nur Zugkräfte

Stoßstangen, • nur für kürzere Strecken (Rudern, Klappen, Ventileingänge)• für Zug- und Druckkräfte• spielfreie Kraftübertragung schwer realisierbar

Drehwellen, • für Schwenk- und • für Rotationsbewegungen

Ketten • für geringe Betätigungsgeschwindigkeit, z.B.: Trimmung, Antrieb

Aspekte zur Auslegung der Steuerungsanlage:

• Spannweite der Ruders• Tiefe des Ruders• Verhältnis Rudertiefe zur Profiltiefe• Ausschlagwinkel• Geschwindigkeit

Fahrwerk

Aufgaben des Fahrwerks:

• Beweglichkeit des Flugzeuges am Boden,• Aufnahme des Landestoßes,• Aufnahme der kinetischen Energie beim Bremsen,• Federung bei Bodenunebenheiten

Fahrwerksarten

• Hauptfahrwerk (90-95% des Gesamtfluggewichts),

• Heckfahrwerk (Bild 1)

• Bugfafrwerk (Bild2.)

Fahrwerksanordnungen

einfahrbar – nicht einziehbar o Geschwindigkeit, o Fluggewicht, o Ökonomie, o Herstellungskosten

Fahrwerksanordnungen

1. Heckfahrwerk mit Spornrad,

2. Bugfahrwerk,3. Tandemfahrwerk

Gliederung und Kennzeichnung nach Baugruppen

1.Großgruppe, bzw. Fertigungsgruppe2.Baugruppe3.Untergruppe4.Hilfsgruppe5.Einzelteil

(z.B.: Rumpfvorderteil – eine Halbschale des Rumpfvorderteils – ein Spant – eine Spanthälfte – ein Spantprofil)

Gliederung und Kennzeichnung nach Baugruppen in der Praxis

Konstruktions- und Baugruppen mit Sektionsteilung

Massehauptgrupen und Massebegriffe im Flugzeugbau (Luffahrtsnorm LN DIN 9020)

Massehaptgruppen:• Fahrwerk• Triebwerksanlage• Standardausrüstung• Sonderausrüstung• Bewegliche Einsatzausrüstung• Besatzung und Dienstlast• Nutzlast• Betriebsstoffe (aufgeteilt nach Schmierstoff Kraftstoff im Rumpf, Kraftstoff im Flügel)• Rollkraftstoff

Lokalisierungsverfahren im Flugzeug

• Koordinatensystem• Stationspläne• Zoning-System• Geographische Ortsbezeichnungen

Koordinatensystem zum Lokalisieren und Bezeichnen der Bauteile am Flugzeug

Zoning-System zum Lokalisieren von Flugzeug-Bauteilen

Bauweisen

Übersicht der Bauweisen im Flugzeugbau

• Fachwerkbauweise• Holm- bzw. Gurtbauweise• Schalenbauweiseo Integralbauweiseo Sandwitsch- bzw. Verbundplattenbauweise

Bauweisen

• FachwerkbauweiseBei der Fachwerkbauweise nimmt ein räumlicher Fachwerkverband bestehend aus Gurten, Stäben und Diagonalen sämtliche auftretenden Biege und Torsionsspannungen auf, während die umhüllende Beplankung aus Stoff, Kunststoff oder Sperrholz lediglich der äußeren Formgebung dient. (Max. bis 150 km/h)

Bauweisen

• FachwerkbauweiseTragwerk in Fachwerkbauweise

1.Fachwerkholm2.Fachwerkrippe3.Diagonalauskreuzung

Bauweisen

• FachwerkbauweiseRumpfwerksektion in Fachwerkbauweise

1.Formsegmente2.Gurtleisten3.Beplankung4.Fachwerkverbund5.Querversteifungen an Krafteinleitungsstellen (z.B.: Leitwerkanschlüsse)

Bauweisen

• Fachwerkbauweise• Holm- bzw. Gurtbauweise

Baustruktur für höhere Beanspruchungen, bis 350-400 km/h wirtschaftlich anwendbar

Bauweisen

• Fachwerkbauweise• Holm- bzw. GurtbauweiseTragwerk in Holmbauweise

1.Hautversteifungen2.Rippe3.Steg4.Gurte

Bauweisen

• Fachwerkbauweise• Holm- bzw. GurtbauweiseRumpfwerksektion in Gurtbauweise

1.Beplankung 2.Stringer 3.Spante

Bauweisen

• Fachwerkbauweise• Holm- bzw. Gurtbauweise• Schalenbauweise

Alle Komponenten der Beplankung und des Geripppes sind miteinander direkt verbunden.

Vorteile:• hohe Materialnutzung• extrem leichte Konstruktion• optimale Innenraumausnutzung (keine Querstäbe)

Bauweisen

Elemente der Schalenbauweise1. Beplankung2. Spant3. Stringer4. Verbindungselement

Bauweisen

Rumpfheck des Airbus in Schalenbauweise

1. Spant2. Beplankung3. Stringer

Bauweisen

Konstruktiver Aufbau eines Flugzeugs•Rißstopblech

Querschnitt durch ein Rumpfwerk in Schalenbauweise

1. Fenster

Bauweisen

• Fachwerkbauweise• Holm- bzw. Gurtbauweise• Schalenbauweisenim Rumpfbereich:Schalenbauweise (Monocoque-Bauweise)Halbschalenbauweise (Semimonocoque-Bauweise)

Bauweisen

• Fachwerkbauweise• Holm- bzw. Gurtbauweise• Schalenbauweisenim Rumpfbereich:Schalenbauweise

= (Monocoque-Bauweise)Halbschalenbauweise

= (Semimonocoque-Bauweise)

Rumpfkonstruktion in Monocoque-Bauweise 1.Spant2.Beplankung

Bauweisen

Airbus-Rumpfvorderteil als Monocoque-Struktur 1.Spant2.Beplankung3.Bugfahrwerkskasten

Bauweisen

Rumpfkonstruktion in Semimonocoque-Bauweise 1.Stringer 2.Beplankung3.Spant

Bauweisen

Semimonocoque- Bauweise beim Airbus

1. Spant2. Stringer3. Clip4. Beplankung

Bauweisen Übersicht der Bauweisen im Flugzeugbau

Semimonocoque- Bauweise beim Boeing,

bei der sehr schmale Clips mit zusätzlichen Rißstopblechen verwendet werden

1. Clip2. Spant3. Stringer4. Beplankung5. Rißstopblech

Bauweisen Bauweisen der Bauteile im Flugzeugbau

• Differentialbauweise• Integralbauweise

• DifferentialbauweiseEin Bauteil wird aus mehreren verschiedenen Einzelteilen zusammengebaut (vernietet, verklebt).

• gute Reparaturmöglichkeiten• gute Rißstopmöglichkeiten• elastische Bauweise

• IntegralbauweiseReduzierung der Verbindungsstellen, größere Baueinheiten werden aus einem Werkstoff - Werkstoffrohling (vorgerckte Platten) - hergestellt.

• keine Nietlöcher: extreme Spannungsspitzen entfallen, somit sehr leichte Bauweise,• hohe Präzision durch CNC Fertigungstechnologie• sehr gute Oberflächen, da Nietköpfe entfallen,• hoher Zusammenhalt und große Dauerfestigkeit • Wirschaftlich günstiger als die Differentialbauweise

Bauweisen der Bauteile im Flugzeugbau

2. Differentialbauweise

1. Integralbauweise

Die Integralbauweise ist ökonomisch insgesamt günstiger.

Statische und dynamische Ermüdungsversuche

Prinzipdarstellung des Gesamtaufbaus der Versuchsanlage für dynamische Ermüdungsversuche. Ein Gestänge verteilt hier die Lasten der Hydraulikzylinder.

Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit!

Dr. András Jancsó Konstruktiver Aufbau eines Flugzeugs

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