NH-90 Hubschrauber-Fahrwerk

Source: Article of High Performance Composites

Komplexe Verbundwerkstoffe machen den NATO-Hubschrauber leichter
Holländisches Konsortium entwickelt ein Fahrwerk aus hochentwickeltem Verbundwerkstoff, dass die Anforderungen des NH 90-Hubschraubers erfüllt.

Design-Ergebnisse:

-       Leichter und stabiler, als die vorhandene Metallkonstruktion

-       Geflochtene Verstärkung erlaubt Formlingautomation

-       Leistungstest bestätigte die Vorhersagen der Finite-Elemente-Methode

Der Einsatz von Kohlefaserverbundstoffen für Tragflächen und den Flugzeugrumpf eines neu gestalteten Flugzeugs ist heute Standard. Ein Bereich Flugzeug-Designs, der weiterhin der Verbundwerkstoff-Gemeinschaft entgeht, ist jedoch das Fahrgestell. Als primäre strukturelle Elemente mit konzentriertem Lasten stand mit konservativem Design immer Metall bei diesen Komponenten im Vordergrund. Das könnte sich ändern, wenn ein Team aus holländischen Firmen und Wissenschaftlern bei der Suche nach der Gestaltung und Herstellung von leichten, stabilen Fahrwerken aus Verbundwerkstoffen für Hubschrauber und Starrflügler erfolgreich ist. SP Aearospace and Vehicle Systems (Geldrop, Niederlande) hat einen Vertrag zur Entwicklung, Qualifizierung und Produktion von einziehbaren, crash-festen NH90-Heckfahrwerksbaugruppen für den NATO-Hubschrauber NH90, sowohl für die Armee- (TTH oder Taktischer Transport Hubschrauber) als auch die Marine ab be-Version (NFH oder NATO-Fregatten-Hubschrauber). Dieser Helikopter der 10-Tonnen-Klasse, ein Gemeinschaftsprojekt von Eurocopter (Frankreich und Deutschland), Agusta (Italien) und Fokker (Niederlande), wird für ein breites Spektrum an Aufgaben eingesetzt werden, wie für Truppentransporte, Lasttransporte und U-Boot-Abwehreinsätze. Verbundwerkstoffe werden weitgehend im gesamten Hubschrauber eingesetzt, z.B. In der Flugzeugzelle, den Stabilisatoren und den Rotorblättern. Prototypen des Hubschraubers fliegen bereits seit 1995 und die erste Auslieferung aus Serienproduktion ist für das Jahr 2004 geplant. Die NATO-Helicopter-Management-Agency (NAHEMA), mit den Mitgliedern Frankreich, Deutschland, Italien, den Niederlanden und Portugal, hat 253 Hubschrauber mit einer Option auf weitere 124 bestellt. Die skandinavischen Länder (Schweden, Finnland und Norwegen) haben 52 Geräte mit der Option auf weitere 17 bestellt. Derzeit ist das Fahrgestell aus Metall konstruiert. In der Mitte der 90er-Jahre hat SP-Aerospace, in Verbindung mit der Structures and Materials Division des niederländischen National Aerospace Laboraty, NLR (Amsterdam, Niederlande) angefangen, den Einsatz von hochentwickelten Verbundwerkstoffen zu untersuchen, davon überzeugt, dass die Verbundwerkstofftechnologie bis zu einem Punkt gereift ist, an dem der Einsatz für ein Fahrgestell praktikabel ist, so René Hekerman, leitender Ingenieur bei SP-Aerospace. In 1996 begann das Team mit einem Technologie-Entwicklungsprojekt mit dem Ziel, Drehmomentverbindungen (Querlenker) und Längslenker aus Kohlefaserverbundwerkstoff basierend auf de NH90-Fahrwerk-Spezifikationen zu gestalten, zu bauen und zu prüfen. SP Aerospace ist der Generalunternehmer für das Projekt, verantwortlich für die Spezifikationen der Konzept-Design-Komponenten, die Integration der Komponenten in das Fahrwerk und dafür, die Komponenten zu testen und zu qualifizieren.

 

NLR kümmert sich um die Konzeption der Verbundstoffkomponenten, die Entwicklung der Design-Zulässigkeiten, die Entwicklung und Herstellung von der RTM-Produktionsformen und die Verbundwerkstoffteile sowie um die nachfolgende Prüfung der Unterkomponenten. Zwei zusätzliche Partner bieten spezifische Expertise: Eurocarbon (Sittard, Niederlande) ist verantwortlich für die Entwicklung einer vollautomatischen Overbraiding-Technik zur Herstellung von kostengünstigen Formlingen für die Längslenker aus Verbundwerkstoff, während MSG Software Benelux BV (Gouda, Niederlande) die Finite-Elemente-Analyse (FEA) der mechanischen Festigkeit der Verbundwerkstoffstrukturen liefert.
Von der niederländischen Regierung und den Partnern selbst finanziert, ist das Programm in zwei Phasen aufgeteilt: Technologieentwicklung und Validierung. Die Drehmomentverbindung wurde von 1996 bis 1999 entwickelt. Diese relativ einfache Komponente wurde als Vorführobjekt verwendet, um das Design, die Analyse und die RTM-Funktionen auf ein höheres Niveau zu bringen. Dies ermöglichte die Entwicklung der sehr komplexen Form des Längslenkers, die ihre Anfänge im Jahr 1998 hatte und 2002 weitgehend fertiggestellt wurde.

 

Komplexe Teile profitieren von Design- und Analysesoftware

Für Design-Zwecke wurden die Lasten von Hubschrauberlandungen am Boden und auf Schiffsdecks abgeleitet. Die angegebenen Bruchlandungsgeschwindigkeit von 11 m/36 ft pro Sekunde führt zu einer Kombination aus starker Biege- und Torsionslast auf dem Längslenker. Um ausreichende Schadenstoleranz zu garantieren, wurden die maximal zulässigen Belastungsniveaus der Konstruktion experimentell bestimmt. Da die Fahrwerkskomponenten konzentrierten Lasten ausgesetzt werden, wurden die Belastungsniveaus der Konstruktion für Stift-geladene Löcher (die Öffnungen in den Pivot-Stifte eingefügt sind, wenn die Fahrwerkskomponenten miteinander verbunden werden) durch Testen der Unterkomponenten bestimmt.

Andere Faktoren, die während des Gestaltungssprozesses betrachtet wurden, sind Erschwinglichkeit und Herstellbarkeit, Einschlag-Szenarien, maximale Temperaturen, chemische Beständigkeit gegen Hydraulikflüssigkeiten und galvanische Korrosion zwischen den Buchsen und den Verbundstoffkomponentent, erklärt Bert Thuis, NLR's Gruppenleiter, Entwicklung und Evaluierung.
Die Teile wurden bei SP Aerospace mit Pro/Engineer-Software (PTC, Needham, Massachusetts, USA) entwickelt, während NLR CATIA (IBM PLM, Dallas, Texas, USA) nutzen, um die Werkzeuge zu entwerfen. Aus den verschiedenen Finite-Elemente-Codes, die von der MSC Software geliefert werden, entschied sich das Team, MSC Marc für dieses Projekt zu verwenden, bemerkt Maarten Oudendijk, technischer Berater bei MSC Software. Diese Entscheidung beruhte auf den nichtlinearen Funktionen des Programms in den Bereichen Materialverhalten (d.h. materielle Fehler) und Geometrie, z. B. automatisierter 3-D-Kontakt zwischen verschiedenen modellierten Komponenten der Struktur.

MSC.Marc hat die Fähigkeit, geschichtete Verbundstoffe, mit verschiedenen Faserrichtungen in jeder Ebene zu analysieren. Einige Abschnitte des Längslenkers haben bis zu 50 Lagen Faserverstärkung, was die Analyse erheblich erschwert. Um die Anzahl der Elemente und die Anzahl der Freiheitsgrade im System zu verringern, sind Routinen entwickelt worden, den geschichtete Verbundwerkstoff als homogenisiertes, aber immer noch orthotropes Material zu behandeln. Um diese homogenisierten Materialeigenschaften abzuleiten, werden numerische Tests durchgeführt auf einer Zelleinheit —der Materialwürfel, der ein "Finites Element" innerhalb des geschichteten Material bildet. Die Ergebnisse aus diesen numerischen Experimenten werden dann in gemittelte Eigenschaften umgewandelt. Ein Schadensmodell wird implementiert, das einen Bruch in einem Bereich des Teils simuliert und bestimmt, ob die resultierenden Lasten diesen Schaden auf andere Bereiche propagieren würden, d.h. ihre Lastlimits überschreiten und Ablösung verursachen. Dies wurde auch auf das homogenisierte Material mittels Berechnung des Schadens im gesamten mehrschichtigen Material angewendet. Der Analyse-Teil des Projektes wurde in drei Teilprojekte aufgeteilt, die Analysen der Drehmomentverbindung, des mittleren Teils des Längslenkers und der vollständige Längslenker.

 

Formlinge und RTM beweisen Herstellbarkeit

Das Harzspritzpressen (RTM) wurde als Herstellungsmethode für beide Komponenten ausgwählt, weil die Formen der Komponenten des Fahrwerks oftmals komplex sind und deshalb sehr schwierig oder gar unmöglich mit den traditionellen Vorpress/Autoklave-Technologien herzustellen sind, betohnt Thuis vom NLR.

Formlinge für die Drehmomentverbindungen und die Mittelösen des Längslenkers werden mit der Hand geschichtet, wobei gewebte Kohlefaserstoffe von C. Cramer & Co. (Heek-Nienborg, Deutschland) verwandt werden. Der Formling für den Längslenker aus Verbundwerkstoff wird wie folgt hergestellt. Zuerst werden zwei ausgehärtete Kohlefaser/Epoxid-Schläuch aus gewickelten Prepregs mit einem Kern verbunden, der aus einer Metalllegierung mit niedrigem Schmelzpunkt besteht. Dieser Aufbau wird dann von Eurocarbon tri-axial mit T300-12K-Kohlefaser von SOFICAR, einer Abteilung der Toray Carbon Fibers (Abidos, Frankreich) umflochten.
Laut dem Leitenden Direktor von Eurocarbon, Arnold Voskamp, werden etwa 60% der Fasern im ±45° Winkel und 40% in Längsrichtung plaziert. Laut Design variiert die endgültige Wandstärke von 15 bis 30 mm/0,6 bis 1,2 Inch bei über 50% Faservolumen. Der genutzte Umflechter ist eine computergesteuerte 96-Träger-Maschine, die Teile mit einer Größe von 600 mm/23,6 Inch im Durchmesser und mit einer Länge von 7 m/23 Fuß bearbeiten kann. Voskamp sagt, dass Eurocarbon kürzlich eine 216-Träger-Maschine fornoch größere Formlinge installiert hat.

Vor dem Laden der RTM-Formen, werden die Formlinge des Längslenkers und der Öse zusammengesetzt. Der verbundene Formling wird dann innerhalb eines Aluminiumwerkzeugs positioniert. Nach dem Verschließen wird die Form erhitzt und ein speziell zusammengesetztes Epoxidharz von Cytex Engineered Materials (Tempe, Arizona, USA) wird unter Druck über eine Dauer von mehreren Stunden eingespritzt.

Um die optimale Einspritzstrategie zu bestimmen, werden ausführlichen Flusssimulationen am NLR durchgeführt. Während eines RTM-Durchlaufes zeichnet ein Datenerfassungssystem die wichtigsten Parameter auf, wie Harztemperatur, Gussformtemperatur, Harzfluss und Einspritzdruck, um die Reproduzierbarkeit des RTM-Prozesses zu demonstrieren, erklärt Thuis.

Nach dem Aushärten von 2 bis 3 Stunden in der Gussform wird der Längslenker aus Verbundstoffe und in einem Ofen für das freistehende Aushärten positioniert, wobei der Aluminiumkern wegschmilzt. Das Aluminium kann für den nächsten Längslenker wiederverwendet werden. Die einzige notwendige Bearbeitung umfasst das Beschneiden der Enden des Längslenkers, das Fräsen der der Ecke in der Ösen und das Bohren der Löcher in die Ösen. Die oberen und die unteren Drehmomentverbindungen sind etwa 175 mm/7 Inch lang und wiegen 0,12 bis 0,13 kg/0,26 bis 0,28 Pfund (lb.), eine 30%ige Reduktion im Vergleich zu einem grundlegenden Aluminiumteil. Der Längslenker ist 900 mm/35,4 Inch lang und das Verbundstoffwerkstück wiegt etwas 13 kg/ 29 Pfund. Das Gesamtgewicht des Längslenkers mit allen Aufbauten, Bronzebuchsen und Stahl-Radachse beträgt etwa 22 kg/48 Pfund, eine 20%ige Reduktion im Vergleich zum originalen 300M hochfesten Stahlteil.

Positive Ergebnisse führen zu mehr Möglichkeiten 
Hekerman von SP erklärt, dass das Ziel des Projekts sei, das Design und die Fertigungstechnik zu entwickeln und eine Reihe von Vorführ-Teilen zu testen, daher sind derzeit keine Feldversuche an einem Hubschrauber geplant. Die bisherigen Ergebnisse sind so ermutigend, dass SP bald seine NH90-Partner bitten kann, den Längslenker zu qualifizieren und die vollständige Serienproduktion zu beginnen. Bisher wurden eine Reihe von Drehmomentverbindungen mechanisch getestet und sie entsprachen den Erwartungen.

Eine Unterkomponente des Längslenkers, der den mittleren Teil mit den Lastaufnahmeösen umfasst wurde auch mechanisch getestet und die Ergebnisse werden genutzt, die FEA-Analyse zu überprüfen und zu optimieren. Die Herstellung von weiteren Vorführ-Artikeln ist noch im Gange. Diese werden statischen Tests zu ultimativen (Absturz-)Lasten, mit und ohne Beschädigungen unterzogen. In der zweiten Phase des Programms werden zusätzliche Längslenker hergestellt und weitere umfangreiche Tests, einschließlich Ermüdungs- und dynamische Fall-Tests durchzuführen. Hekerman glaubt, dass das Programm bedeutende technologische Fortschritte erzielt hat. Die Partner haben erfolgreich die Produktion von Formlingen automatisiert und haben hochqualitative Harz-Injektionen bei großen, komplexen Luftfahrtteilen demonstriert. Darüber hinaus haben sie das spezifischere Ziel der Herstellung von Verbundstoff-Fahrwerkskomponenten mit einer besseren Leistung, geringerem Gewicht und zu gleichen oder niedrigeren Kosten als bei den Metall-Pendants erreicht.

Parallel zum Längslenker-Programm, haben SP und NLR mit Unterstützung der Royal Netherlands Air Force eine Kohlefaser/Epoxid-Zug-Klammer mittels Harzspritzpressprozess (RTM) entwickelt, ein Strukturbestandteil für das Hauptfahrwerk der F-16, entwickelt. Das Teil wurde getestet, für Flüge freigegebenund Anfang 2001 an einer F-16 der Royal Netherlands Air Force installiert und hat seither eine Reihe von Flugtests erfolgreich abgeschlossen. Darüber hinaus hat SP gerade ein Programm, eine ähnliche Komponente für zivile Flugzeuge, mit der Absicht, diese vollständig für die Serienproduktion zu qualifizieren.

 

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