Punktlandung in der VIP-Kabine

Entwicklung von Methoden zur Krafteinleitung in die CFK-Rumpfstruktur

In den letzten Jahren haben kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) aufgrund ihres geringen Gewichts und extremer Belastbarkeit immer stärker Einzug in den Bau von Passagierflugzeugen gehalten. Bei den neuen Flugzeugmustern vom Typ Boeing 787 („Dreamliner") und Airbus A350 besteht die Flugzeugstruktur des Rumpfes nahezu vollständig aus Kohlefaserverbundmaterial. Selbst besonders stark belastete Bereiche wie die Kielträger im Boden, die hinteren Druckschotts im Rumpf oder die zentralen Flügelmittelkästen, wo die Tragflächen am Rumpf ansetzen, werden mittlerweile aus Faserverbundmaterialien gefertigt.

Die neue Flugzeuggeneration wird aufgrund ihrer Vorzüge zukünftig auch eine große Bedeutung für VIP-Kunden haben. Um herstellerunabhängige Modifikationen und individuelle Kabinenlösungen für Flugzeugmuster aus CFK für VIP-Kunden anbieten zu können, sind entsprechende Änderungen an der ursprünglichen Flugzeugstruktur notwendig. Zu diesem Zweck muss der Einbau bestimmter Komponenten an den gewünschten Stellen im Flugzeug ermöglicht und die Primärstruktur so verstärkt werden, dass die zusätzlichen Lasten sicher eingeleitet und verteilt werden können. Im Rahmen des Forschungsprojekts „Faserkraft" sollen daher neue Technologien in Bezug auf Faserverbundstrukturen untersucht werden. Das vornehmliche Ziel des im April 2010 gemeinsam von Lufthansa Technik und der Technischen Universität Darmstadt als Projektpartner initiierten Vorhabens ist die Entwicklung von Methoden und Konzepten zur Krafteinleitung in die CFK-Rumpfstruktur. Projektträger ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). 

Handtellergroße Befestigungspunkte

Im ersten Teilprojekt „Floorpanel Hardpoint" galt es, die Maximalbelastung der zehn Millimeter dicken und zwischen 0,5 und drei Meter langen Floorpanels (Bodenplatten) genau bestimmen zu können. Hierzu wurden umfangreiche Tests und Simulationen durchgeführt. Für die Entwicklung neuer Krafteinleitungslösungen bei Rümpfen aus Faserverbundwerkstoff mussten die neuen Werkstoffe, tragende Bauteile (Spanten), Längsversteifungen (Stringer) und deren Anbindungen genauer untersucht werden. Zu diesem Zweck wurden spezielle Prototypen angefertigt und in entsprechenden Prüfeinrichtungen getestet. Um die nachhaltige Anwendbarkeit sicherzustellen, wurde parallel zu den Untersuchungen eine Berechnungs- und Simulationsumgebung (Finite-Element-Simulation) für CFK-Strukturen aufgebaut und validiert. Unbekannte Materialkennwerte konnten mit Hilfe weiterer Materialtests ermittelt werden.

Zur Befestigung von Kabineneinbauten müssen an den Floorpanels sogenannte Hardpoints (Verstärkungen) angebracht werden. Diese mit Inserts (Einlegeteilen) vergleichbaren Teile sind handtellergroß und werden zu diesem Zweck mit den Panels verklebt. So entstehen Befestigungspunkte an den Floorpanels, um möglichst flexibel an individuell wählbaren Stellen des Kabinenbodens spezielle Einbauten wie kleine Schränke, Tische oder Trennwände für eine Maximalbelastung von etwa 3.000 Newton befestigen zu können. Die individuelle Gestaltung der Kabine und des Interieurs bestimmt letztlich, an welcher Stelle die Hardpoints am Kabinenboden angebracht werden müssen. So werden zum Beispiel aktuell in einem individuell gestalteten VIP-Kundenflugzeug vom Typ Boeing 747-8 insgesamt 40 Floorpanel Hardpoints verbaut. 

Erforschung neuer Rahmenstrukturen

Um plötzlichen Druckabfall in der VIP-Kabine ausgleichen zu können, hat man das Teilprojekt „Floorpanel Hardpoint" um das Teilprojekt „Floorpanel Cutouts" ergänzt. In VIP-Flugzeugen gibt es – anders als bei herkömmlichen Passagierflugzeugen – viele kleine Räume, so dass im Falle eines Druckabfalls in der Kabine ein besonders großer Unterdruck entsteht und an Möbeln, Wänden, Türen und am Fußboden zerrt. Um den hohen Unterdruck schnell kompensieren zu können, wurden hierzu größere Ausschnitte, sogenannte Druckausgleichsöffnungen mit einer entsprechenden Rahmenstruktur in die Kabinen-Fußbodenpanele eingebracht. Das Ziel des Projekts bestand in der Erforschung der Beschaffenheit der Rahmenstruktur und der Fragestellung, wie man die fehlende Fläche ausgleichen muss. Außerdem galt es, die Funktion an verschiedenen Stellen und in verschiedenen Fällen zu testen. Die Simulation hierzu erfolgte virtuell und zeigte, wo der Druckausgleich funktioniert und wo die Flugzeugstruktur verstärkt werden muss.

Die Erkenntnisse der Teilprojekte „Floorpanel Hardpoint" und „Floorpanel Cutouts" bilden zugleich die Grundlage für zwei weitere Teilprojekte: Während sich das Teilprojekt „Side Attachment" mit der seitlichen Anbindung an Rumpfspante zur Einleitung von bestimmten Kräften beschäftigt, liegt der Fokus beim Teilprojekt „Upper Attachment" in der Krafteinleitung bei der oberen Anbindung an die Rumpfstruktur. Eine besondere Herausforderung bestand hierbei im Aufbau einer virtuellen Rumpfstruktur, da es hierzu keine Angaben von den Flugzeugherstellern gibt. Mit Hilfe aufwändiger Recherchen und praktischer Tests wird bis zum Projektende im November 2013 der Entwicklungsprozess dieser Projekte ergänzt und notwendige Daten zur Beurteilung und Optimierung der virtuellen FE-Simulation geliefert.

Die ersten Ergebnisse des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWI) geförderten Projekts und das daraus gewonnene Know-how kommen bereits bei ersten VIP-Kundenflugzeugen zum Einsatz. Darüber hinaus konnten bereits sehr weitreichende Entwicklungen für Fußbodenanbindungen anderer Einsatzgebiete vorangetrieben werden. Ferner ermöglichen die Ergebnisse aus den Teilprojekten des Forschungsvorhabens „Faserkraft" schon jetzt den effizienten Einbau von Kabinenelementen und Interieur. So wird Lufthansa Technik zukünftig auch für die Flugzeugmuster der neuen Generation aus Faserverbundwerkstoff individuelle Lösungen und Modifikationen konkurrenzfähig anbieten und ihre weltweit führende Marktposition weiter ausbauen können.