IIAMS Flügelkasten: Roadmap zur Zertifizierung

Abb. 7 „Zertifizierungsprozess der Modifikationen für den Prototyp“, einschließlich FTB#2 Außenflügel. Bildnachweis: „Structural Radar Research of Airbus Defense and Space as Clean Sky Partnership“ von Manuel Iglesias Vallejo, Rubén Tejerina Hernanz, Antonio Jiménez et al., Airbus Defence and Space, 8th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), 1.–4. Juli 2019.

Airbus DS, FTB#2 und zukünftige Turboprop-Flugzeuge

Airbus Defence and Space (Airbus DS, Cádiz, Spanien) trat dem Clean Sky EU-Forschungsprogramm als EADS CASA bei. Gegründet 1923 als Construcciones Aeronáuticas SA in Getafe, Spanien, hat CASA lange Flugzeugbaugeschichte und war Gründungsmitglied des Airbus-Konsortiums. Zweiter Standort 1926 in Cádiz; 22 Flugzeugmodelle sowie Komponenten für Airbus, Eurofighter und kommerzielle Airbus/Boeing-Flugzeuge produziert.

Clean Sky 1 umfasst 7 Projektbereiche – 6 Integrated Technology Demonstrators (ITDs) und Technology Evaluator. ITDs, jeweils von 2 Industrieorganisationen co-geleitet, decken verschiedene Luftverkehrssegmente ab.

Clean Sky 2 umfasst 9 Projektbereiche – 3 Innovative Aircraft Demonstrator Platforms (IADPs), 3 ITDs, 2 Transverse Activities, Technology Evaluator.

https://www.cleansky.eu/discover

Airbus DS entwickelte sich vom Co-Leiter GRA ITD im ursprünglichen Clean Sky (2008–2017) zum Co-Leiter AIRFRAME ITD und Leiter Flight Testbed 2 (FTB#2) in der REGIONAL IADP in Clean Sky 2 (2014–2024).

A.E. Jiménez Gahete, Structures and Design, Engineering & Technology Directorate bei Airbus DS, beschreibt FTB#2-Entwicklung im Sept-2020 Materiales Compuestos Artikel „Airbus Defence and Space highly integrated wing box section manufactured by dry fiber placement and liquid resin infusion“. Diese Arbeit in Clean Sky 2 wird auf zukünftigen militärischen Transport- oder kommerziellen Regional-Turboprop-Flugzeug angewendet. Hauptziel: externen Flügel für FTB#2 entwickeln mit OOA-Composite-Primärstrukturen, einschließlich integral versteifter thermoplastischer Composite-Oberflügelkastenabdeckung und einteiligem One-Shot-Flügelkasten per AFP mit Trockenfaserbändern und Flüssigharz-Infusion.

Letzteres ist genau die Struktur, die MTorres im Clean Sky 2 IIAMS-Projekt entwickelte und produzierte, wie in CompositesWorld März 2020 „Advancing the OOA infused wing box“ beschrieben. Bemerkenswert: jener Flügelkasten integriert Unterschale, Vorder- und Hinterholm, aber nicht die Oberschale. Aus den illustrierten Roadmaps wird offensichtlich: Oberschale wird thermoplastischer Composite sein.

FTB#2 Außenflügel-Ziele und Hintergrund

„Jedes zukünftige Flugzeugdesign erfordert mehr Öko-Effizienz im gesamten Lebenszyklus“, sagt Gahete. Dazu:

• Weniger Energie in Komponentenproduktion
• Weniger Primärmaterial-Ausschuss
• Geringerer Verbrauch Fertigungsflüssigkeiten/Hilfsstoffe
• Erhöhte Recyclingfähigkeit.

Solche Verbesserungen waren Schlüsselfaktoren für Strukturgestaltung und Produktionsprozess des FTB#2-Außenflügels, neben Zielen für Gewichtsreduktion (-10 %), Fertigungskosten und erhöhte Produktionseffizienz.

Thermoplastische Composites und Harzinfusion spielen Schlüsselrolle im FTB#2-Außenflügel. In-situ-konsolidierte (ISC) Thermoplast-Composites (TPC) und Trockenfaser/Harz-Infusion ermöglichen große Primärstrukturen OOA zu reduzierten Kosten vs. traditionelle Autoklav-Prozesse. Thermoplast-Schweißen und hochintegrierte One-Shot-Infusionsstrukturen reduzieren Montageaufwand, mechanische Verbinder, Bearbeitung dafür und Inspektion.

Infusionstechnologie-Entwicklungen in Clean Sky 2 starteten mit vorherigen Clean Sky Projekten: GRA, ECO-DESIGN, APOLO, CERTERIN. ISC TPC wurde in Clean Sky Projekten ICARO, TARGET, ECO-DESIGN, GRA-LW gereift, sodass Technologie in Clean Sky 2 FTB#2 Flugdemonstrator einbezogen werden konnte.

Abb. 10. Testpyramide. Bildnachweis: „Airbus Defence and Space highly integrated wing box section manufactured by dry fiber placement and liquid resin infusion“, A.E. Jiménez Gahete, Materiales Compuestos Vol. 4, No. 4, S. 19–26, Sep 2020.

FTB#2 Außenflügel-Zertifizierung

Wie Gahete erklärt: „Schritt für Schritt durchlaufen wir [Airbus DS] die gesamte Airframe-Struktur-Testpyramide von Coupons bis Full-Scale-Strukturtests des Außenflügels.“ Hexcel HiTape, UD 210 g/m², 12,7 mm breit mit Thermoplast-Vlies V800E beidseitig (Vliesgewicht 4 g/m²/Seite), infundiert mit Hexcel HexFlow RTM6 180 °C Aushärte-Epoxidharz, vollständig charakterisiert – unidirektionale und multi-winklige Eigenschaften. Testergebnisse: gut in Modul, weniger gut in Festigkeit vs. Hexcels HexPly M21E Epoxid-Prepreg mit HexTow IMA Intermediate Carbonfaser (für A350-Flügelhaut, Holme, Mittelkasten). Quasi-isotrope Laminate zeigten gute Ergebnisse vs. Referenz.

Gahete erläutert: Neben Coupons für Materialcharakterisierung und vor Detail-/Panel-Subkomponententests für Design-Allowables wurden Fertigungsdemonstratoren genutzt, um zu validieren, „welche Designmerkmale mit gewählten Fertigungsprozessen erreichbar sind“. DEMO1 integriert Section variabler Schalenstärke, J-Holm mit Rippensteifen und zwei in Schale und Holmflansch integrierte Stringer. DEMO2 – 3 m lang × 0,86 m breit × 3,44 m hoch – simuliert FTB#2-Außenflügelkasten-Gesamtabmessungen, fünf Stringer. Gahete: Prozessanpassungen durch einige Iterationen vor erfolgreichen Strukturbauteiltests.

Abb. 9. Entwicklungstestmatrix FTB#2 Außenflügel. Bildnachweis: Gahete, Materiales Compuestos Vol. 4, No. 4, S. 19–26, Sep 2020.

Designdetail-Testmatrix abgeschlossen: Blitzschlag, Stringer-Auslauf, Stringer-Knicken (Buckling/Failure Evaluation). Subkomponenten-Panel-Tests positiv. Mit erfolgreicher Testpyramide von Coupons bis Subkomponenten, so Gahete, fehlen nur finale Außenflügel-Full-Scale-Statik- und Funktionstests für FTB#2-Flugqualifikation. Geplant bis Ende 2021.

FTB#2 als Teil umfassenderer Technologieentwicklung

Externer Flügelkasten ist nur ein Teil von FTB#2, den Airbus DS liefert. Weitere Strukturdemonstratoren – laut 2019 Paper „Structural radar research of Airbus Defense and Space as Clean Sky partnership“ von Airbus DS, veröffentlicht von EUCASS 2019 – umfassen MT1/MT2 Cockpits (siehe Bild unten) mit hoher struktureller Integration für Gewichts-/Kostenreduktion, Flügelvorderkanten mit Morphing-Features, kompletter Außenflügel mit Winglet und Morphing-Klappe (letzteres via Air Green 2 Projekt von CIRA – Italian Aerospace Research Centre).

Untenstehende Illustration zeigt diverse Airbus DS Forschung in Clean Sky (CS1) und Clean Sky 2 (CS2) als breites Technologieportfolio.

Auch im EUCASS-Paper erklärt: Diese Projekte haben nicht nur Composite-Technologien vorangebracht, sondern auch neue Entwicklungen in Metallen, Additiver Fertigung, Werkzeugen und Reparatur:

• Hochintegrierte Primärstruktur
  • One-Shot Co-Cured Stiffened Multifunctional Double-Curved Solid Laminate
  • Hohe Integration von Bulk Frames via Liquid Resin Infusion (LRI)
    • Solid Laminate (Lower Former FR-9)
    • Stiffened Sandwich (Forward Pressure Bulkhead FR-1)
    • Lower Skin and Spars of FTB#2 Wing Box
  • Hohe Integration via Thermoplast In-Situ Consolidation (ISC)
    • Kleine Krümmung (FR-4 von MT1/MT2; Oberschale FTB#2 Außenflügelkasten)
    • Thermoplast Continuous Forming (Stringer)
    • Hohe/Doppelte Krümmung (Vorderkante, Cowling)
  • Rumpfspant/Flügelrippe im Warmumformen Leichtmetallblech
• Sekundärstruktur: Low-Cost TPC und ALM (Additive Layer Manufacturing) Fensterrahmen
• Werkzeugtechnologien: Low-Cost Composite und ALM
• Reparatur und Wartung
  • Standardreparatur hochintegrierter gekrümmter versteifter Schale (Prepreg)
  • Thermoplast ISC Co-Konsolidierung und Schweißen
  • RTM-LRI Strukturbauteile
    • Prepreg-Patch-Applikation
    • Trockenmaterial-Patches plus Harzinjektion
  • Harzinjektion zur Fixierung externer multifunktionaler Lagen

Jig-less Assembly war wiederkehrender Schwerpunkt, ebenso Reifung neuer 4.0-Digital-Systeme und Testtechnologien wie im EUCASS-Paper gelistet:

• Interferometrie (DIC)
  • Multi-Impact Mid Energy Testing
  • Vibrationstests
• Thermografie
  • ZfP-Anwendung
  • Strukturelles Verhalten in heißer Umgebung
• SHM-Sensoren und Messtechniken
  • Faseroptik FBG (Fiber Bragg Grating)
  • OBR (Optical Backscatter Reflectometry)
  • MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)
• p-U Akustik (Druck-Geschwindigkeits-basierte In-situ-Absorptionsmessung)

Kollaborativer EU-Rahmen für Zertifizierung

Abschließender Hinweis aus EUCASS- und Gahete-Papern: Verdienst enger Zusammenarbeit und Arbeit zentraler Airbus DS Partner: NLR (Netherlands Aerospace Centre), Airborne (Den Haag, Niederlande), Applus+ Laboratories (Barcelona, Spanien), MTorres (Torres de Elorz, Spanien), FIDAMC (Getafe, Spanien) – letztere als „signifikant involviert in alle mit Composite-Materialien und deren Fertigungsprozessen entwickelten Technologien“ beschrieben.

Seit längerem verfolge ich Aktivitäten und Publikationen von Airbus-Ingenieuren in Getafe und berichtete über ISC TPC-Arbeit von FIDAMC und anderen. CW hob Airbus DS-Führung in vielen Clean-Sky-Artikeln hervor. Bislang verstand ich nicht, wie langfristig und geplant die Airbus DS-Strategie ist, die Clean Sky Teilnahmen optimal nutzt. Es ergibt Sinn, Zertifizierungsgrundlagen während Entwicklung neuer Cockpit- und Flügeldemonstratoren zu legen. CW berichtete über denselben Ansatz bei Thema-Leiter Airbus Deutschland im Clean Sky 2 Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD): Vollständige Charakterisierung von Low-Melt Polyaryletherketon (LM PAEK) in geschweißten Verbindungen im Sub-Projekt MECATESTERS.

Die Airbus DS Roadmaps und Structural Technology Radar Illustration hier sind weiteres Beispiel, wie europäische Luftfahrt- und Composites-Industrie gemeinsam zukunftsfähig wird. Clean Sky 2 gelingt weiter, indem es Europas Flugzeug- und Aero-Composites-Industrie ambitionierte Vision und geförderten Rahmen für Zusammenarbeit mit klaren Zielen bietet. Diese Arbeit hilft auch beim Pivot zu Elektrifizierung, Wasserstoff, Alternativkraftstoffen gegen Klimawandel – Luftfahrt und Composites spielen Schlüsselrollen.