Entwicklung der Leichtbauflügelstruktur eines hoch fliegenden Flugzeugs

Abstract

Verschiedene Forschungsgruppen und Unternehmen weltweit haben versucht oder versuchen, über lange Zeit in der Stratosphäre fliegende Flugzeuge zu entwickeln und zu betreiben. Eine der vielfältigen Herausforderungen ist die Umsetzung einer, im Verhältnis zur Gesamtmasse, sehr leichten Flugzeugstruktur, die allen Beanspruchungen zuverlässig gewachsen ist. Viele Flugzeuge dieser Kategorie wurden unter Einsatz sehr steifer Strukturen ausgelegt, die im Flug beim Einfluss von Turbulenzen nach Strukturversagen zum Absturz gekommen sind. Mit dem Projekt ELAHA und der vorliegenden Arbeit soll die Idee eines Flügels, der sich weit verformen lässt, in seiner Eignung für eine Höhenplattform untersucht und zur Erprobung gebaut werden. Mit dieser Arbeit wird eine eher ungewöhnliche Flugzeugkonfiguration verwirklicht. Ein biegsamer Flügel soll mit mehreren, entlang seiner Spannweite verteilten Rümpfen stabilisiert und gesteuert werden. Die besonderen Anforderungen dieser flugmechanischen Konfiguration an die Struktur werden erarbeitet, um bei der Konstruktion als Leitfaden zu dienen. Es wird eine Software vorgestellt, die zur Verformungs- und Belastungsanalyse dünnwandiger mehrzelliger Schalenstrukturen im Rahmen der Arbeit entwickelt wurde. Der Schwerpunkt liegt dabei auf einem einfach zu bedienenden Werkzeug, das in der Lage ist, die wichtigsten Strukturkennwerte für Biegung und Torsion zu ermitteln. Darüber hinaus werden Kraft- und Schubfluss in einem dünnwandigen Bauteil ermittelt und können für eine Belastungsanalyse mit vorgegebenen Werkstoffkennwerten genutzt werden. Die Umsetzung in der Programmiersprache Matlab erlaubt die Integration in vorhandene Projekte der Arbeitsgruppe am DLR. Der Einsatz einer Faserverbundbauweise für die Flügelstruktur wird untersucht. Um die Eignung der eingesetzten, dünnen Laminate zu überprüfen, wird eine Reihe von Versuchen durchgeführt. Diese Prüfung konzentriert sich auf das Werkstoffverhalten bei großen Dehnungen für das Ziel der weit verformbaren Struktur. Mit den erarbeiteten Anforderungen, Werkzeugen und Erkenntnissen über das Werkstoffverhalten wird die Flügelstruktur entworfen. Dies umfasst alle Schritte von Lastannahmen, Entwicklung und Auslegung sowie dem Bau von Formen, Werkzeugen, Vorrichtungen und der Flügelstruktur selbst. Abschließend folgt die Dokumentation des Baus einer Flügelschale. Dabei werden alle benötigten Teile und Werkzeuge aufgelistet sowie alle Bauschritte, in einer für die Fertigung relevanten Form, detailliert beschrieben.