KUNDENHERAUSFORDERUNG
Das National Institute for Aviation Research (NIAR) an der Wichita State University ist die größte universitäre Forschungs- und Entwicklungseinrichtung für die Luftfahrt in den USA. Sie umfasst insgesamt 320.000 Quadratfuß verteilt auf vier Standorte und verfügt über mehr als ein Dutzend Labore, die sich alle der Weiterentwicklung von Technologien für allgemeine, kommerzielle und militärische Flugzeuge widmen.
„Kunden entscheiden sich für NIAR, weil wir über erfahrene Mitarbeiter und modernste Ausrüstung verfügen“, sagt Dr. Waruna Seneviratne, technischer Leiter bei NIAR und leitender Wissenschaftler im Forschungsprogramm für die Lufttüchtigkeit und Erhaltung von Flugzeugen. „Wir haben Erfahrung in vielen Bereichen. Wir beraten in allen Bereichen, von der Materialauswahl über zulässige Tests bis hin zu Zertifizierungsprüfungen und Abrissprüfungen. Es ist ein Full-Service-Support-System.“
NIAR nutzt Fachwissen, um einige der schwierigsten Probleme in der Luft- und Raumfahrt zu lösen. Eines davon ist die Frage, wie lange die Verbundwerkstoff-Komponenten der ersten Generation jetzt, da sie das Ende ihrer zertifizierten Lebensdauer erreichen, noch halten werden. Ein aussagekräftiger Einblick in die Bruchmechanik von Verbundwerkstoffstrukturen ist schwer zu erlangen, da für diese Komponenten nicht die jahrzehntelangen Betriebsdaten und Forschungsergebnisse vorliegen, die für metallische Komponenten leicht zugänglich sind. Daher kann eine Verlängerung der Lebensdauer von Verbundwerkstoff-Strukturen mit den bestehenden Methoden nicht erreicht werden. Ein typisches Beispiel: die F/A-18 Hornet.
„Die F/A-18 wurde in den 1970er Jahren entwickelt, aber ihr Nachfolger, die F-35, wird nicht vor 2019 für die US Navy zur Verfügung stehen“, so Seneviratne. „Die Navy hat eine große Anzahl von F/A-18, die kurz vor der Ausmusterung stehen, und möchte die Lebensdauer dieser Verbundstrukturen sicher verlängern. Es ist jedoch nicht bekannt, wie gut diese alternden Strukturen einen so langen Betrieb verkraften werden. Das ist es, was unsere Forschung herausfinden soll.“
MTS-LÖSUNG
Für die Ermüdungsprüfung der alternden Verbundwerkstoff-Komponenten und -Strukturen der F/A-18 setzen Seneviratne und sein Team verschiedene Prüflösungen von MTS ein, von auf dem Boden stehenden einachsigen Belastungsrahmen bis hin zu mehrachsigen Strukturprüfständen in Originalgröße, die zahlreiche dauerfeste Aktuatoren von MTS enthalten. Diese Lösungen beinhalten auch die Steuerungs- und Datenerfassungssoftware AeroPro™, digitale Steuerungen und SilentFlo™-Hydraulikaggregate von MTS.
Die Flügelstruktur der F/A-18 Hornet besteht aus Verbundwerkstoff-Flügelhäuten und Verbundwerkstoff-Titan-Verbindungen am Flügelansatz – dem stark belasteten Bereich, in dem der Flügel mit dem Rumpf verbunden ist. Die Forschung konzentrierte sich zunächst auf die Auswertung von 25 Zoll langen Dog-Bone-Prüfkörpern, die aus den Flügelhäuten von ausgemusterten F/A 18-Flugzeugen entnommen wurden. Die zyklischen Tests mit Spektrum-Belastung replizierten die tatsächlichen Betriebslasten, sodass das Team die Daten zur Restfestigkeit und zur Ermüdungslebensdauer jedes Prüfkörpers mit den ursprünglichen Zertifizierungsdaten vergleichen und die verbleibende Lebensdauer der Verbindung bestimmen konnte.
„Wir fanden heraus, dass die Komposit-Titan-Klebeverbindungen eine viel längere Lebensdauer haben, als irgendjemand dachte“, so Seneviratne. „Die bisherige Verwendung hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Restfestigkeit der einzelnen Verbindungen. Die Verbindungen hatten typischerweise mehr als fünf zusätzliche Ermüdungslebensdauern unter einem zugdominanten Ermüdungsspektrum, und einige überlebten zehn Lebensdauern ohne signifikante Verschlechterung der Festigkeit.“
Diese Schlussfolgerungen führten zu umfangreicheren Full-Scale-Strukturtests des Innenflügels, der aus Verbundstoffhäuten besteht. Der Prüfling bestand aus dem Mittelrumpf einer F/A 18 sowie den Innenflügeln und den Hinterkantenklappen. Während der ersten Testphase wurde die Flügelstruktur für eine zusätzliche Lebensdauer von Prüflasten zykliert, während sie auf ermüdungsbedingte Schäden überwacht wurde. In einer zweiten Testphase wurden verschiedene Arten von Schäden bei fortgesetzten Ermüdungszyklen simuliert, um die Schadenseindämmung und die Wachstumsrate, falls vorhanden, zu beurteilen.
KUNDENVORTEILE
Das wichtigste Ergebnis der NIAR-Forschung lautet, dass die U.S. Navy nun über die notwendigen Daten verfügt, um die Bemühungen zur Lebensverlängerung der F/A-18 mit einem weitaus größeren Maß an Vertrauen zu unterstützen, insbesondere wenn es um die fortschrittliche Verbundstoffkonstruktion des Innenflügels geht. Die Marine und andere Teilstreitkräfte können diese Methodik auf andere alternde Plattformen anwenden.
„Indem wir potenzielle Probleme in einer kontrollierten Laborumgebung identifizieren, können wir das Risiko von unerwarteten Phänomenen reduzieren, welche die Sicherheit einer ganzen Flotte gefährden können“, so Seneviratne. „Die Daten aus unserer Arbeit können auch auf neue Designs von Flugzeugkomponenten und Strukturen aus Verbundwerkstoffen übertragen werden und helfen, diese zu verbessern.“
Der Einsatz der Testlösungen von MTS half dem Team rund um Seneviratne, diese Untersuchung sicher und effizient durchzuführen. Das Ansprechverhalten der Aktuatoren und digitalen Steuerungen diente dem Schutz der teuren Prüfkörper und der Prüfer gleichermaßen. Die Agilität der Servoventile von MTS kombiniert mit einer unabhängiger Druckregelung und anderen Sicherheitsmerkmalen machte es einfach, die Aktuatoren des Strukturprüfstands, die in kürzester Zeit eine enorme Kraft ausüben können, präzise zu steuern.
„Auch die Zuverlässigkeit ist wichtig“, fügt Seneviratne hinzu. „Jedes Mal, wenn man einen großen Strukturtest für die Wartung der Testausrüstung anhält, kostet das Zehntausende von Dollar. Die Testlösungen von MTS sind sehr zuverlässig. Sie richten den Aktuator ein, und er ist so lange einsatzbereit, bis es Zeit ist, ihn neu zu kalibrieren. Wir haben Zehntausende von Ermüdungstests damit durchgeführt, und der Return on Investment ist sehr zufriedenstellend.“
Seneviratne schätzt auch die Vielseitigkeit der AeroPro Software, die es seinen Forschern erleichtert, die Einrichtung und Durchführung einer Vielzahl von Tests zu automatisieren – von denen einige mehrere hundert Dehnungsmessstreifen und Dutzende von Steuerkanälen verwenden – ohne den zeitaufwändigen Prozess der physischen Neukonfiguration hochkomplexer Testaufbauten durchführen zu müssen. Darüber hinaus bietet MTS einen hochwertigen Service und technischen Support sowie Mehrwertdienste wie Kalibrierung und hydraulische Systemauslegung.
„MTS hat Erfahrung in der Herstellung und Unterstützung komplexer Testlösungen“, so Seneviratne abschließend. „Sie wissen, wie sie uns helfen können, effizienter zu arbeiten, damit wir unsere Arbeit zu niedrigeren Kosten erledigen können. Es ist ein Win-Win.“
