Sicherer, kostengünstiger und umweltfreundlicher fliegen mit "Structural Health Monitoring"

Die Strukturüberwachung ist u. a. ein Weiterentwicklungspunkt innerhalb der Clean Sky Joint Technology Initiative, die das Fliegen noch umweltfreundlicher machen will.

Sicherheit steht an erster Stelle im Flugverkehr. Deshalb werden Bauteile oft überdimensioniert. Das macht sie schwer, teuer und führt zu erhöhten Schadstoffemissionen. Sensoren, die zum Beispiel im Flügel äußerlich nicht sichtbare Strukturschäden frühzeitig erkennen, können das Sicherheits-Kostenverhältnis erhöhen sowie die Betriebskosten und Emissionen reduzieren: „Ziel eines solchen Frühwarnsystems ist es, die beginnenden Schwächen der Struktur zu erkennen, lange bevor daraus ein Problem werden könnte“, so Martin Lehmann vom Fraunhofer LBF.

Clean Sky JTI: Umweltfreundliche Technologie für die Luftfahrtindustrie
Die „Clean Sky Joint Technology Initiative“ will die Belastungen der Umwelt durch Lufttransporte deutlich verringern und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Luftfahrtindustrie stärken. Mit einem Budget von 1,6 Milliarden Euro ist es das größte europäische Forschungsprogramm zu diesem Thema. Die Fraunhofer-Gesellschaft ist neben namhaften Industrieunternehmen einer der Partner der Initiative, wobei sämtliche Aktivitäten der Fraunhofer-Institute vom Fraunhofer LBF in Darmstadt koordiniert werden.
SHM – Das Nervensystem des Bauteils
Die Grundidee: Structural Health Monitoring (SHM) ist wie das Nervensystem eines Bauteils. Sensoren und eine Auswerteelektronik registrieren äußere Einwirkungen und spüren Schäden auf. Vor allem Fremdkörper, wie Hagel- oder Vogelschlag stellen eine große Gefahr für Flugzeuge dar. Aber auch Steinschlag durch Split auf der Rollbahn oder Schäden durch fallendes Werkzeug bei Wartungsarbeiten kommen vor. Bei Faserverbundstrukturen und Sandwichbauweise sind solche Schäden nur selten von außen sichtbar. Die Betriebsicherheit wird deshalb bisher durch umfangreiche Inspektionen und entsprechende Auslegung der Bauteile gewährleistet.

Dank neuer SHM-Systeme lassen sich Kosten, Gewicht und Wartung reduzieren, Leichtbaustrukturen können so ihre Vorzüge noch stärker ausspielen. Stillstandszeiten werden durch Selbstdiagnose reduziert – Treibstoff durch Gewichtsreduktion eingespart. Durch die kontinuierliche Überwachung der Flugzeughülle, auch in schwer zugänglichen Bereichen, steigt die Sicherheit. Als Messwertaufnehmer dienen u. a. elektrische und optische Dehnungsmessstreifen sowie z.B. auch Piezofasermodule, Beschleunigungsaufnehmer. So sind etwa die Ober- und Unterschale des Exponats mit faseroptischen Sensoren versehen, um anhand der Wellenlängenverschiebungen reflektierter Wellen Aussagen über die Dehnung der Struktur zu erhalten. Neben Dehnungen können auch Impactereignisse festgestellt werden. Piezofasern wandeln mechanische Dehnungen in elektrische Spannungen um. Damit lassen sich hochfrequente Körperschallwellen, die durch den Aufprall eines Fremdkörpers verursacht werden, messen. Rückschlüsse auf Ort und Umfang einer Beschädigung sind möglich.

Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Martin Lehmann, Gruppenleiter Versuch, martin.lehmann@lbf.fraunhofer.de, MesseMobilNr. +49 0172/6184239