Boeings 787 Dreamliner

Wie hoch ist die durchschnittliche Dichte der in einem modernen Verkehrsflugzeug verwendeten Materialien? Was auch immer es ist, die Reduzierung der durchschnittlichen Dichte war enorm, seit die Gebrüder Wright das erste praktische Flugzeug geflogen sind. Das Streben nach Gewichtsreduzierung in Flugzeugen ist aggressiv und kontinuierlich und wird durch schnell steigende Kraftstoffpreise 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.

Composites und Gewichtsreduzierung

Der Douglas DC3 (aus dem Jahr 1936) hatte ein Startgewicht von etwa 25.200 Pfund bei einem Passagierkomplement von etwa 25. Bei einer maximalen Nutzlast von 350 Meilen sind das etwa 3 Pfund pro Passagiermeile. Der Boeing Dreamliner hat ein Startgewicht von 550.000 Pfund und kann 290 Passagiere befördern. Mit einer Reichweite von mehr als 13.000 Kilometern bei voller Beladung entspricht dies ungefähr einem Viertel Pfund pro Passagiermeile - 1100% mehr!

Düsentriebwerke, besseres Design und gewichtsreduzierende Technologien wie Fly by Wire haben zum Quantensprung beigetragen, aber Verbundwerkstoffe spielten eine große Rolle. Sie werden in der Dreamliner-Flugzeugzelle, den Triebwerken und vielen anderen Komponenten verwendet.

Verwendung von Verbundwerkstoffen in der Dreamliner-Flugzeugzelle

Der Dreamliner verfügt über eine Flugzeugzelle aus fast 50% kohlefaserverstärktem Kunststoff und anderen Verbundwerkstoffen. Dieser Ansatz bietet eine Gewichtsersparnis von durchschnittlich 20 Prozent im Vergleich zu konventionelleren (und veralteten) Aluminiumkonstruktionen.

Verbundwerkstoffe in der Flugzeugzelle haben auch Wartungsvorteile. Für eine typische Reparatur im Verbund sind möglicherweise 24 oder mehr Stunden Ausfallzeit des Flugzeugs erforderlich. Boeing hat jedoch eine neue Reihe von Reparaturfunktionen für die Wartung entwickelt, für deren Durchführung weniger als eine Stunde erforderlich ist. Diese schnelle Technik bietet die Möglichkeit für vorübergehende Reparaturen und eine schnelle Reparatur, wohingegen solche geringfügigen Schäden ein Aluminiumflugzeug geerdet haben könnten. Das ist eine faszinierende Perspektive.

Der Rumpf ist in Rohrsegmenten aufgebaut, die bei der Endmontage zusammengefügt werden. Durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen sollen 50.000 Nieten pro Ebene 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 die Motoroptionen GE (GEnx-1B) und Rolls Royce (Trent 1000), und beide verwenden in großem Umfang Verbundwerkstoffe. Die Gondeln (Einlass- und Lüfterhauben) sind ein offensichtlicher Kandidat für Verbundwerkstoffe. In den Lüfterflügeln der GE-Motoren kommen jedoch auch Verbundwerkstoffe zum Einsatz. Die Klingentechnologie hat sich seit den Tagen des Rolls-Royce RB211 enorm weiterentwickelt. Die frühe Technologie machte das Unternehmen 1971 bankrott, als seine Hyfil-Kohlefaser-Lüfterflügel bei Vogelschlagtests versagten.

General Electric ist seit 1995 Vorreiter bei der Titan-Composite-Fan-Blade-Technologie. Im Dreamliner-Kraftwerk werden Composites für die ersten fünf Stufen der siebenstufigen Niederdruckturbine verwendet.

Mehr über weniger Gewicht

Was ist mit einigen Zahlen? Das leichte Lüftergehäuse des GE-Kraftwerks reduziert das Flugzeuggewicht um mehr als 1.200 Pfund (mehr als eine halbe Tonne). Das Gehäuse ist mit Kohlefasergeflecht verstärkt. Das ist nur die Gewichtsersparnis des Lüftergehäuses und ein wichtiger Indikator für die Stärke / Gewichtsvorteile von Verbundwerkstoffen. Dies liegt daran, dass ein Lüftergehäuse im Falle eines Lüfterausfalls alle Ablagerungen enthalten muss. Wenn es keine Trümmer enthält, kann das Triebwerk nicht für den Flug zugelassen 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 ungefähr 70.000 Pfund (33 Tonnen) kohlefaserverstärkten Kunststoff - von denen ungefähr 45.000 Pfund (20 Tonnen) kohlefaserverstärkt sind.

Fazit

Die frühen Design- und Produktionsprobleme bei der Verwendung von Verbundwerkstoffen in Flugzeugen wurden nun überwunden. Der Dreamliner ist auf dem Höhepunkt der Treibstoffeffizienz von Flugzeugen, minimiert Umweltbelastung und Sicherheit. Mit reduzierten Komponentenzahlen, geringeren Wartungsprüfungen und längeren Sendezeiten reduzieren sich die Supportkosten für die Luftfahrtunternehmen erheblich.

Von den Lüfterflügeln über den Rumpf und die Flügel bis hin zu den Waschräumen ist die Effizienz des Dreamliners ohne fortschrittliche Verbundwerkstoffe nicht zu erreichen.