DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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"Hercules und Eurofighter" Alte und neue Herausforderungen für die ZfP bei den österreichischen Luftstreitkräften.

Wilhelm Kollmann, Österreichische Luftstreitkräfte Ernst Grauvogel, EADS, Deutschland
Kontakt: Oberstleutnant Wilhelm Kollmann

Der Flugzeugpark der österreichischen Luftstreitkräfte ist gekennzeichnet durch eine Vielfalt unterschiedlicher Luftfahrzeugmuster bei relativ geringen Stückzahlen pro System.
Die Bandbreite reicht vom Schulungshubschrauber bis zum Überschallkampfflugzeug.
Die eingesetzten Technologien spiegeln eine Fertigungszeitspanne von etwa als 40 Jahren wider.
Folgende Flugzeugtypen werden in den Luftstreitkräften betrieben:

Düsenflugzeuge:

Saab 105Ö Trainer
Saab 35Ö "Draken" Abfangjäger
Northrop F5E "Tiger" Abfangjäger (ab Juli 2004)
EADS Eurofighter Abfangjäger (ab 2007)

Transportflugzeuge:

Lockheed C130 "Hercules" Transporter
Shorts SH7 "Skyvan" Transporter
Pilatus PC-6 "Turboporter" Leichter Transporter
Pilatus PC-7 Trainer

Hubschrauber

Sikorsky S70"Blackhawk" Transporthubschrauber
Agusta Bell 212 Transporthubschrauber
Agusta Bell 206 Mehrzweckhubschrauber
Bell OH 58 Mehrzweckhubschrauber
Eurocopter Alouette III Mehrzweckhubschrauber

Mit dem Baujahr 1967 ist die Agusta Bell 206 das älteste Muster, der Eurofighter wird ab 2007 das modernste System sein.
In dieser Spanne von Produktionsjahren ist auch die Entwicklung im Bereich der festigkeitstechnischen Auslegungskonzepte sowie der Flugzeugbauweisen repräsentiert. Die in der Vergangenheit dominierende Differentialbauweise, das heißt der Aufbau aus definierten Einzel-Standardelementen (Platte, Winkel, U-Profil etc.) wird heute in weitem Umfang durch integral gefertigte Strukturen, welche ganze Flugzeugbaugruppen umfassen können, abgelöst.
Im Rahmen der Integralbauweise kommen auch vermehrt Verbundstrukturen (Composits) zum Beispiel aus CFK oder GFK zur Anwendung. So besteht die Außenhaut des Eurofighters zu mehr als 80% aus derartigen Strukturen.

Die nachfolgenden Bilder sollen dies am Beispiel C130 (differential) und Eurofighter (integral) verdeutlichen.


Bild
Differentiale Bauweise

Bild
Integrale Bauweise

Auslegung von Luftfahrzeugen:

Im Bereich der Auslegungsphilosophien kommen im Wesentlichen drei unterschiedliche Konzepte zur Anwendung:

Safe Life:

Mit diesem Zugang wird eine feste Lebensdauergrenze für einen bestimmten Bauteil oder eine Struktur festgelegt. Diese wird üblicherweise in einer definierten Anzahl von Flugstunden oder Landungen ausgedrückt. Die zulässige Lebensdauer bis zur möglichen Ausbildung von Ermüdungsrissen wird auf der Basis von analytischen Methoden und Ermüdungstests festgelegt. Nach Ablauf dieser Zeit wird der Bauteil ungeachtet seines tatsächlichen Zustandes ausgeschieden.
Dem Vorteil einer fest planbaren Verwendungsdauer ohne zwischenzeitliche Kontrollen, steht der wirtschaftliche Nachteil einer nie optimalen Ausnutzung der möglichen Lebensdauer gegenüber. Ein weiteres Problem stellen Fehler dar, welche bei Herstellung oder Wartung eingebracht wurden und vorzeitig zu einer Rissbildung führen können, dar. Typische Anwendungen sind Fahrwerke, Triebwerksrotorbauteile oder auch integrale Flugzeugzellenstrukturen (Eurofighter).

Fail Safe:

Dieses in den 1960er Jahren entwickelte Verfahren stützt sich auf eine Verteilung der Lastwege auf mehrere Strukturelemente und damit auf redundante Strukturen. Dies soll die Bauteilintegrität bis zur nächsten Kontrolle bei der ein eventueller Schaden entdeckt und repariert werden kann, sicherstellen. Periodische Kontrollen dieser Strukturen sind also unerlässlich.

Ein der Fail Safe Auslegung inhärentes Problem ist der "Multiple Site Damage" also das "Zusammenwachsen", die Verbindung von Rissen in einer gegebenen Struktur.

Die nachfolgenden Bilder verdeutlichen dies.

Damage Tolerance:

Die auf bruchmechanischen Methoden basierende Auslegungsphilosophie geht von der Überlegung aus, dass es den fehlerfreien Bauteil real nicht gibt. Ziel des Verfahrens ist es, die Wachstumsrate potentieller Risse mit analytischen und empirischen Methoden zu erfassen und so eine für die jeweilige Situation typische, "kritische Risslänge" bzw. die "Restfestigkeit" zu bestimmen. Im Betrieb sind dann Inspektionsintervalle so zu setzen, dass eine ZfP jedenfalls vor Erreichen der kritischen Risslänge erfolgt. Vorteil des Verfahrens ist nicht nur die Möglichkeit des Entwurfes mit geringeren Sicherheitsfaktoren, sondern auch eine optimierte Lebenszeitnutzung des Bauteils.

Limitierende Faktoren, Schädigende Mechanismen:

Dies sind einerseits Fehler die aus der Bauteilproduktion (Material, oder Bearbeitungsfehler etc.) stammen oder durch Wartungsaktivitäten (Kratzer, Riefen, korrosive Medien etc.) eingebracht werden, andererseits Ermüdungsrisse und Korrosion.

Bei Verbundstrukturen sind es hauptsächlich Einschlagschäden (Impact Damage) bzw. Hitze- oder Blitzschäden.
Sowohl Bauweise, Fertigungsverfahren und Auslegungskonzept als auch die limitierenden Faktoren bestimmen mögliche Schadensbilder welche sich dem Prüfer darstellen. Die Kenntnis dieser Faktoren ist eine wesentliche Voraussetzung für die Fähigkeit, mögliche Schadensbilder zu "erwarten" und damit Prüfergebnisse sicher und effizient interpretieren zu können.

Prüfverfahren bei den Österreichischen Luftstreitkräften derzeit:

Es werden die Standardverfahren (MT, PT, ET, UT, RT) eingesetzt, wobei ein klares Schwergewicht auf der Wirbelstromhandprüfung liegt.

Besondere Bedeutung kommt auch der Sichtprüfung und hier vor allem der Videoendoskopie zu.

Prüfverfahren am Eurofighter:

Neben den klassischen Verfahren, welche an diesem Flugzeug ebenfalls zum Einsatz kommen werden, sind im Bereich der Compositstrukturen Techniken wie

  • Shearography
  • Thermografie und
  • Ultraschallscanner
bestimmend.

Diese Verfahren dienen der flächigen Oberflächenprüfung, sie werden zur Schadenslokalisierung durch die traditionellen Verfahren ergänzt.

ZfP-Dienste der österreichischen Luftstreitkräfte:

Die Koordination erfolgt durch den ZfP-Koordinator im Materialstab Luft des Kommandos der Luftstreitkräfte in Wien, über die ZfP- Beauftragten in den Typenwerften. (siehe Grafik)

Dislokation

Organisation

Ausbildung - Zertifizierung - Autorisierung:

Erfolgt derzeit auf Basis der ÖNORM EN473, ÖNORM M3041 sowie ÖNORM M 3042/1/2.

Während die Verfahren VT/PT im Rahmen der Luftfahrzeugwartausbildung vermittelt werden, erfolgt die Grundausbildung für die übrigen Verfahren bei der ARGE VASL/SZA. Nach der Zertifizierung durch die ÖGfZP wird diese Ausbildung oftmals durch Schulung bei Luftfahrzeugherstellern und/oder Wartungsbetrieben ergänzt.
Die Autorisierung/Erteilung der Prüfberechtigung erfolgt durch das Kommando der Luftstreitkräfte.

Die ZfP-Dienste der österreichischen Luftstreitkräfte umfassen derzeit 25 Prüfer mit insgesamt 34 Berechtigungen in den Verfahren MT, ET, UT, RT.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net