Aufgrund verschiedener Strukturschäden an Flugzeugen in der Betriebsphase wurden die Zulassungsanforderungen für die Luftfahrttüchtigkeit in den letzten 45 Jahren wesentlich verändert.
Insbesondere die Einführung der Nachweise für die Schwingfestigkeit und die Fehlertoleranz waren
markante Änderungen. Die Tabelle 1.1 zeigt einen Überblick über die Entwicklung der Vorschriften
in den USA
| Tabelle 1.1 Entwicklung der Luftfahrt-Zulassungsvorschriften in den USA
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| 1953 - CAR 4b:
| Keine speziellen Vorschriften in bezug auf Ermüdung
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| 1956 - CAR 4b Amendment 3:
| Vorschriften in bezug auf "safe life" und "fail-safe"
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| 1962 - CAR 4b Amendment 12
| Vorschriften in bezug auf Ermüdung für Fahrwerke
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| 1966 - FAR 25 Amendment 10:
| Schallermüdung
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| 1978 - FAR 25 Amendment 45:
| Einführung der Vorschrift zum Nachweis der Fehlertoleranz
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| 1981 - FAR 25 Amendment 54:
| Weitere Zulassungsvorschriften für Flugzeuge insbesondere
zu Amendment 45
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Die amerikanischen und europäischen Luftfahrtbehörden haben in verschiedenen Besprechungen
die Vorschriften harmonisiert, so daß sie seit 1974 gleichwertig sind (Europa JAR 25).
Unter dem Schirm des "Aviation Rule-making Advisory Committee (ARAC)" treffen sich die
Luftfahrtbehörden und Flugzeughersteller, um neue Zulassungsvorschriften zu diskutieren.
Ein neuer Aspekt für die Zulassung ist das Auftreten von vielen kleinen Anrissen, z. B. in einer
Längsnahtnietverbindung "widespread fatigue damage (WFD)". Eine neu erarbeitete Vorschrift
behandelt diese Thematik. Sie fordert eine Bewertung der im Bauteil auftretenden Spannungen
aus Entwurf und Fertigung. Es muß nachgewiesen werden, daß ein katastrophales Versagen
durch Ermüdung, Korrosion oder einen zufälligen Unfallschaden während des Fluges ausgeschlossen
werden kann. Die Fehlertoleranzbewertung ist auch die Grundlage für die Erstellung
eines Struktur-Inspektions-Programms.
Die Hauptforderungen der Schadentoleranzbewertung sind:
- Abschätzen des Auftretens von "widespread fatigue damage"
- Identifikation von möglichen Schadensorten und deren Größe
- Schadenstoleranzanalyse und Versuche
- Festlegen des Inspektionsbeginns und der Intervalle
Folgende Forderungen sind die wesentlichen Unterschiede zu den bestehenden Vorschriften:
- Die Basis für die Ermittlung des Inspektionsbeginns muß eine Rißwachstumsanalyse und/oder Versuchsergebnisse für den jeweiligen Bauteilbereich sein.
- Mit den Ermüdungsstrukturversuchen (full-scale-test) muß nachgewiesen werden, daß WFD
in dem vorgesehenen Betriebsleben des Flugzeuges nicht auftritt.
Die Fig. 1.1 zeigt das Prinzip einer Schadentoleranz-Untersuchung
Die Anforderungen an eine Flugzeugstruktur sind in den verschiedenen Bereichen in bezug auf
Funktion und Betriebssicherheit sehr unterschiedlich. Es müssen deshalb verschiedene Konstruktionsprinzipien
angewendet werden, um eine schadenstolerante Struktur zu erhalten. In bestimmten
Bereichen wird auch noch das "safe life principle" angewendet.
Konstruktionsprinzip "safe life"
Vor 1960 wurden Flugzeuge nach diesem Prinzip ausgelegt. Nach den heutigen Vorschriften
(JAR 25.571) darf nur noch das Fahrwerk nach diesem Prinzip konstruiert werden.
- safe life: Die Struktur hat eine sichere, limitierte Lebensdauer, die analytisch und experimentell mit einem relativ hohen Sicherheitsfaktor nachgewiesen wurde.
Eine Struktur, konstruiert in "safe life", hat nur einen Lastpfad, und es kann und darf sein, daß
die detektierbare Rißlänge schon im Bereich der kritischen Rißlänge liegt. Für einen solchen Fall
ist es nicht möglich, eine Inspektionsintervall zur Überwachung der Strukturintegrität zu definieren.
Folglich kann der Bruch eines Strukturelementes zum kompletten Versagen einer "safe life"
Struktur führen mit den entsprechenden Konsequenzen für das Flugzeug.
Fig 2.1: Vorderes Fahrwerk von der A320 - Beispiel für eine "safe life" Konstruktion
Fig 2.2: Beispiel für eine schadenstolerante Konstruktion - einfacher Lastpfad
Fig 2.3: Beispiel für das Rißwachstumverhalten einer schadenstoleranten Konstruktionzwei Lastpfade
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Die Fig. 2.1 zeigt ein Bauteil für eine "safe life" Konstruktion. Die Betriebssicherheit einer solchen
Bauweise wird erreicht durch den Sicherheitsfaktor (Überdimensionierung).
Konstruktionsprinzip "damage tolerant"
Bei diesem Prinzip geht man von der realistischen Annahme aus, daß jede Struktur fehlerbehaftet
ist und Fehler bewußt toleriert werden, wenn sie eine festgelegte Größe nicht überschreiten. Die
tolerierbare Fehlergröße ist von den verwendeten Werkstoffen, den Bauweisen und den Belastungen
abhängig.
Bei der schadenstoleranten Konstruktion gibt es zwei Kategorien:
- einfacher Lastpfad
- mehrfacher Lastpfad.
Die Fig. 2.2 zeigt ein Beispiel für eine Konstruktion mit einfachem Lastpfad. Zum Nachweis
wird eine Schwingfestigkeitsrechnung durchgeführt und über einen Sicherheitsfaktor der Inspektionsbeginn
festgelegt. Bei zukünftigen Projekten muß die Festlegung des Inspektionsbeginns auf
einer Rißwachstumsanalyse basieren. Das Inspektionsintervall ist festgelegt durch Rißwachstumperiode
zwischen detektierbarer und kritischer Rißlänge dividiert durch einen Sicherheitsfaktor.
Konstruktionen mit mehrfachen Lastpfaden werden in drei Untergruppen unterteilt:
- mehrfacher Lastpfad - nur von außen inspizierbar
- mehrfacher Lastpfad - nur ein komplett gerissener Lastpfad ist detektierbar
- mehrfacher Lastpfad - auch angerissene Lastpfade sind detektierbar.
Ein Beispiel für den Fall, angerissene Lastpfade sind detetierbar, wird in Fig. 2.3 gezeigt. Zum
Nachweis der Betriebssicherheit wird auch hier eine Schwingfestigkeitsrechnung durchgeführt.
Der Lastpfad mit der geringsten Schwingfestigkeit wird dür die Festlegung des Inspektionsbeginns
verwendet. Das Inspektionsintervall basiert auf dem Rißwachstumsverhalten der beiden
beteiligten Lastpfade, wobei für beide Pfade ein Anfangsriß von 1,27 mm angenommen wird.
Das Intervall ist festgelegt durch die Rißwachstumperiode zwischen der detektierbaren Rißlänge
im ersten Lastpfad und der kritischen Rißlänge in dem zweiten Lastpfad dividiert durch den Sicherheitsfaktor.
- fail safe: Die Ausfallsicherheit der Struktur wird durch mehrere Lastpfade erreicht, so daß bei
Ausfall eines oder mehrerer Lastpfade die verbleibenden Lastpfade die zu erwartenden Belastungen
übernehmen können.
Die Fehler werden durch einfache generelle, visuelle Inspektionen mehr zufällig entdeckt. Die
"fail safe" Bauweise ist mit adäquater Inspektion die Basis für die sogenannte "damage tolerant"
Bauweise.
- Damage-tolerance: Ist die Fähigkeit einer fehlerbehafteten Struktur, die zu erwartenden Belastungen
zu ertragen, bis die Fehler durch eine geplante Inspektion oder einen nicht sicherheitgefährlichen
Funktionsausfall entdeckt und repariert werden kann.
Fig 1.1:
Folie 1, 
Folie 2
Fig 2.1:
Fig 2.2:
Fig 2.3:
Fig 3.1: