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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Flugzeug, insbesondere ein Passagierflugzeug,
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei
dem Passagierflugzeug geht es speziell um ein großes Passagierflugzeug
mit 100 und mehr Sitzplätzen.
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STAND DER TECHNIK
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Die
Verwendung von modernen Faserverbundbauteilen, womit insbesondere
aber nicht nur Bauteile aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoff gemeint
sind, bietet im Flugzeugbau die Chance für eine deutliche Gewichtsreduzierung
im Vergleich zu herkömmlichen
Konstruktionen aus Aluminiumlegierungen. Bei gleicher Kapazität erscheint
es realistisch, das Gewicht von Passagierflugzeugen um 30 % zu reduzieren
und dabei auch eine 40 %ige Reduzierung der Herstellungskosten zu
erzielen. Diese Vorteile sollen bei mindestens gleichen, idealerweise verbesserten
Service- und Sicherheitsstandards realisiert werden.
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Es
ist aber keinesfalls machbar, die obigen Zielsetzungen unter weitgehender Übernahme
herkömmlicher
Konstruktionen für
Flugzeuge auf der Basis von Bauteilen aus Aluminiumlegierungen zu erfüllen, weil
diese Konstruktionen die besonderen Eigenschaften von Faserverbundbauteilen
nicht berücksichtigen.
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Faserverbundbauteile
weisen hohe Festigkeits- und Steifigkeitskennwerte bei Zug- und
Druckbeanspruchung, aber nur niedrige Kennwerte für Schub-
und Scherbeanspruchung auf. Dies gilt primär für Faserverbundbauteile, bei
denen die Fasern in Längsrichtung
angeordnet sind, d. h. in sogenannter 0°-Orientierung. Über eine
Variation der Faserorientierung kann zwar die Festigkeit und Steifigkeit
bei der Schub- und Scherbeanspruchung verbessert werden, dann fallen
aber im Gegenzug die Festigkeits- und Steifigkeitskennwerte für die Zug-
und Druckbeanspruchung ab, so dass auf diesem Wege die resultierenden
Schwierigkeiten bei der Verwendung von Faserverbundbauteilen nicht
zu beseitigen sind. Im Bereich von Ausschnitten aus einer Struktur, in
denen ankommende Zug- bzw. Druckbelastungen in Schub- bzw. Scherbelastungen
umgesetzt werden, werden Faserverbundbauteile aufgrund ihrer nur
in einer Dimension gegebenen maximalen Festigkeit und Steifigkeit
rasch überbelastet.
Darüber
hinaus sind Faserverbundbauteile deutlich kerbempfindlicher als
Bauteile aus Metall.
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Es
ist auch zu berücksichtigen,
dass Faserverbundbauteile aufgrund ihrer höheren Kerbempfindlichkeit eine
erhöhte
Empfindlichkeit gegenüber sogenannten
Impactbelastungen aufweisen, d. h., dass nach einer Impactbeanspruchung
mit einer starken Herabsetzung der mechanischen Eigenschaften der
Faserverbundbauteile zu rechnen ist. Aus Gründen der Sicherheit muss bei
der Konstruktion eines Rumpfs auf der Basis von Faserverbundbauteilen aber
auch ein Impactszenario im Bereich der Unterschale des Rumpfs berücksichtigt
werden.
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Die
Frachträume
der großen
heutigen Passagierflugzeuge sind ebenso wie die Fluggasträume druckbeaufschlagt
und in die tragende Primärstruktur integriert.
Die tragenden druckbeaufschlagten Unterschalen der Frachträume weisen
dabei große
Ausschnitte für
den Bugradschacht, für
Frachttore und für den
Fahrwerkschacht auf. Dabei liegt letzterer unterhalb der Tragflügel des
Flugzeugs im Bereich der größten Biegemomente
auf den Rumpf. Die großen Ausschnitte
stören
massiv die Kraftflüsse
aus der Biegebeanspruchung des Rumpfs. Zum Teil wird daher versucht,
den Rumpf im Bereich des Fahrwerkschachts durch Kielkonstruktionen
gegenüber
der Biegebeanspruchungen auszusteifen. Hiermit sind jedoch erhebliche
Gewichtsnachteile verbunden. Zusätzliche
Gewichtsnachteile ergeben sich, weil der Bugradschacht und der Fahrwerkschacht
im Gegensatz zu den angrenzenden Innenräumen des Rumpfs nicht druckbeaufschlagt
sind und entsprechend die Begrenzungswände der Schächte druckfest ausgeführt werden
müssen.
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Während diese
Punkte schon bei herkömmlichen
Konstruktionen von Flugzeugen auf der Basis von Bauteilen aus Aluminiumlegierungen
auftreten und möglichen
Gewichtssenkungen entgegenstehen, sind sie bei Flugzeugen auf der
Basis von Faserverbundbauteilen wegen der oben angeführten besonderen
Eigenschaften von Faserverbundbauteilen im erhöhten Maße relevant.
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Die
US 3,155,348 offenbart ein
Flugzeug, mit einem Rumpf, der eine druckbeaufschlagte und tragende
Primärstruktur
und einen Frachtraum umfasst, wobei der Frachtraum im unteren Bereich
des Rumpfs angeordnet ist und wobei die Primärstruktur einen durchgehenden,
druckbeaufschlagten Boden aufweist, der Teil einer Bodengruppe der
Primärstruktur
ist. Die Wände
und der Boden der Primärstruktur
des bekannten Flugzeugs sind zur Gewichteinsparung aus Wabenstrukturpaneelen
ausgebildet.
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Die
US 2,779,558 offenbart ein
Flugzeug mit einem Rumpf, der eine druckbeaufschlagte und tragende
Primärstruktur
und einen darunterliegenden Raum aufweist, wobei die Primärstruktur
einen durchgehenden, druckbeaufschlagten Boden aufweist, der Teil
einer Bodengruppe der Primärstruktur ist.
Unter diesem Boden verläuft
ein kielartiger Längsträger der
tragenden Primärstruktur,
der bis an die Unterseite des Rumpfs des Flugzeugs reicht. Die Primärstruktur
des bekannten Flugzeugs ist aus Metall ausgebildet.
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Die
US 6,213,428 B1 beschreibt
die Ausbildung eines Bugradschachts, der an einen druckbeaufschlagten
Frachtraum angrenzt, welcher sich unterhalb eines durchgängigen ebenen
Bodens innerhalb des Rumpfs erstreckt.
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Die
DE 198 41 799 A1 beschreibt
ein in Faserverbundbauweise hergestelltes Flugzeug, das insgesamt
aus mehreren halbschalenartigen Bauteilen zusammengesetzt ist, die
einen einzigen geschlossenen Innenraum begrenzen.
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Die
DE 44 17 889 A1 betrifft
einen Flugzeugkörper
in Kunststoffverbundbauweise, der ebenfalls aus zwei Schalen, einer
Ober- und einer Unterschale, zusammengesetzt ist.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Flugzeug der eingangs
beschriebenen Art aufzuzeigen, das von seiner Grundkonstruktion her
besser auf den Leichtbau und besonders gut auf die Verwendung von
Faserverbundbauteilen zumindest für die Ausbildung seines Rumpfs
abgestimmt ist.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Flugzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
des neuen Flugzeugs sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis
13 beschrieben.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Flugzeug wird bewusst darauf verzichtet, den Frachtraum
in die druckbeaufschlagte und tragende Primärstruktur einzubeziehen. Damit
entfällt
die Notwendigkeit, die Begrenzungen des Frachtraums druckfest auszubilden.
Allein hier sind erhebliche Gewichtseinsparungen realisierbar. Bewusst
in Kauf genommen wird dabei der Nachteil, dass Güter in dem Frachtraum beim
Aufsteigen oder Absinken des Flugzeugs Druckschwankungen ausgesetzt
sind. Bei den meisten Gütern
stellt dies kein Problem dar. Druckempfindliche Güter können für ihren
Transport in dem nicht druckbeaufschlagten Frachtraum in druckfesten,
d. h. druckbeaufschlagten Behältern,
angeordnet werden.
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Es
wird auch zumindest darauf verzichtet, die gesamte Begrenzung des
Frachtraums als Teil der tragenden Primärstruktur auszubilden. Hierdurch kann
die tragende Primärstruktur
an Bauhöhe
verlieren. Die über
dem Frachtraum verbleibende Bauhöhe
des Rumpfs ist aber in aller Regel ausreichend, um eine hinreichend
biegesteife Primärstruktur
auszubilden. Dies ist bei dem erfindungsgemäß ohne Ausnehmungen und Stufen
durchgehenden, druckbeaufschlagten Boden der Primärstruktur
in besonders einfacher und leichter Weise möglich. Der ohne Ausnehmungen
und Stufen durchgehende Boden stellt ein auf Druck und Zug hochbelastbares
Element der Primärstruktur
dar, das der Primärstruktur
eine hohe Biegesteifigkeit um horizontale Querachsen verleiht. Weiterhin
ist der Boden durch seine ohne Ausnehmungen und Stufen durchgehende
Form auch einfach und in leichter Ausführung stabil gegenüber seiner
Druckbeaufschlagung auszubilden.
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Dabei
ist zu berücksichtigen,
dass im herkömmlichen
Flugzeugbau die tragende Primärstruktur
im Bereich der höchsten
Biegemomente, d. h. im Ansatzbereich der Tragflügel, durch den nicht druckbeaufschlagten
Fahrwerkschacht eingeschnürt
ist, d. h. auch dort die Biegesteifigkeit mit einer Primärstruktur
erreicht wird, die sich nicht über
den gesamten Querschnitt des Rumpfs erstreckt. Indem bei dem neuen
Flugzeug ein Fahrwerkschacht für
ein an den Tragflügeln
oder der Primärstruktur
gelagertes Fahrwerk unterhalb des durchgehenden und druckbeaufschlagten
Bodens angeordnet ist, entfällt
die Notwendigkeit, den Fahrwerkschacht nach vorne und hinten druckdicht
gegenüber
den dortigen Teilen des Frachtraums abzugrenzen. Hiermit sind erhebliche weitere
Gewichtseinsparungen verbunden. Dasselbe gilt für den bei dem neuen Flugzeug
auch unterhalb des durchgehenden und druckbeaufschlagten Bodens
angeordnetem Bugradschacht. Daneben bietet das Konzept des neuen
Flugzeugs die Möglichkeit, Frachttore
ohne Schwächung
der Primärstruktur
an quasi jeder beliebigen Stelle des Frachtraums vorzusehen, wodurch
die Beladung des neuen Flugzeugs erheblich vereinfacht werden kann.
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Bei
dem neuen Flugzeug ist der durchgehende druckbeaufschlagte Boden
ein integrierter Teil einer Bodengruppe der Primärstruktur. Zu dieser Bodengruppe
können
weiterhin in ihren Längsrandbereichen
verlaufende Längsträger gehören. Dabei können sich
diese Längsträger von
dem druckbeaufschlagten Boden zumindest über einen Teil der Höhe des Frachtraums
nach unten erstrecken. Hiermit wird die Gesamtbauhöhe der tragenden
Primärstruktur vergrößert, was
für ihre
Biegesteifigkeit von Vorteil ist. Dies bedeutet aber nicht, dass
der druckbeaufschlagte Innenraum der Primärstruktur eine über dem
druckbeaufschlagten Boden nach unten reichende Ausdehnung hat.
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Wie
bereits erwähnt
wurde, weist das neue Flugzeug erhebliche Gewichtsvorteile dadurch
auf, dass der Frachtraum nicht druckdicht begrenzt ist. Zur Abstützung der
Fracht müssen
aber irgendwelche Vorkehrungen getroffen werden. Hierbei kann es sich
um mindestens eine an die Bodengruppe der Primärstruktur angehängte frachtabstützende Struktur
handeln. Ein Beispiel für
eine solche frachtabstützende
Struktur ist eine Frachtplattform. Diese kann natürlich nicht
pendelnd an die Bodengruppe der Primärstruktur angehängt werden.
Es ist aber möglich, eine
Frachtplattform über
zwei Fachwerkstrukturen in ihren Längsrandbereichen so an die
Bodengruppe anzuhängen,
dass die Lage der Frachtplattform gegenüber der Primärstruktur
stabil definiert ist.
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Ein
weiteres Beispiel für
eine frachtabstützende
Struktur ist eine Frachthängematte.
Bei Verwendung einer Frachthängematte
ist aber in der Regel durch Anschläge dafür zu sorgen, dass die darin angeordnete
Fracht nicht pendelt.
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Bisher
noch nicht angesprochen wurde neben dem möglichen Gewichtsvorteil des
neuen Flugzeugs die bei ihm auch realisierten Sicherheitsvorteile.
Der unterhalb des druckbeaufschlagten Bodens der Primärstruktur
angeordnete Frachtraum bildet eine Schutzverkleidung für die darüberliegende
Primärstruktur.
Dies gilt sowohl für
aufprallende Fremdkörper
als auch für
ein Aufsetzen des Rumpfs auf dem Boden. In beiden Fällen dient
der Frachtraum als Opferstruktur, die zum Schutz der tragenden und druckbeaufschlagten
Primärstruktur
aufgegeben wird. Im Ergebnis sind selbst Durchschläge durch
die Begrenzung des Frachtraums, d. h. Löcher in dieser Begrenzung,
für die
Sicherheit des neuen Flugzeugs unkritisch, solange die Primärstruktur
nicht tangiert ist. Um die Primärstruktur
bei solchen Durchschlägen besonders
gut zu sichern, kann eine bereits erwähnte Frachthängematte
als Schutzmatte gezielt zum Auffangen von durchschlagenden Fremdkörpern eingesetzt
werden. Dabei werden konkret die Verformbarkeit und die Auslenkbarkeit
der Frachthängematte zum
Abfangen und Abbremsen von in den Frachtraum eindringenden Fremdkörpern ausgenutzt.
Bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Hängematte
so aufgehängt
ist, dass sie auch lokal nicht bis zu dem druckbeaufschlagten Boden
anhebbar ist. Das bedeutet, dass solange die Frachthängematte
Ihrerseits nicht durchschlagen wird, in den Frachtraum eintretende
Fremdkörper
den druckbeaufschlagten Boden nicht erreichen können. Darüberhinaus stellt bei dem neuen
Flugzeug natürlich auch
jede in dem Frachtraum angeordnete Fracht, beispielsweise in Form
von aneinander gereihten Containern, ein Schutzschild für den oberhalb
des Frachtraums verlaufenden druckbeaufschlagten Boden dar.
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Nach
außen
kann der nicht druckbeaufschlagte Frachtraum in einfacher Weise
bspw. durch Paneele aerodynamisch verkleidet sein. Bei der Auswahl
und Anordnung der Paneele sind die Aspekte der Opferstruktur des
Frachtraums und der Möglichkeit
der Erhöhung
der Biegesteifigkeit der Primärstruktur
durch die Paneele zu berücksichtigen.
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Es
ist aber gar nicht zwingend, den Frachtraum des neuen Flugzeugs
nach außen
durch Paneele oder andere Bauelemente zu begrenzen. Der Frachtraum
kann alternativ auch nach unten offen und zur Aufnahme von beispielsweise
Hängecontainern
ausgebildet sein. Dabei bilden dann die Unterseiten der Hängecontainer
die aerodynamische Oberfläche
des Flugzeugs an der Unterseite des Rumpfs aus.
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Während das
neue Flugzeug grundsätzliche Vorteile
für den
Leichtbau bietet, weist es besondere Vorteile auf, wenn zumindest
die Primärstruktur
auf der Basis von Faserverbundbauteilen ausgebildet ist. Die Konstruktion
der tragenden Primärstruktur,
bei der der Boden und die gesamte Bodengruppe frei von irgendwelchen
Ausschnitten sind, ist so, dass die Faserverbundbauteile keiner
Kerbbeanspruchung und einer im wesentlichen eindimensionalen Beanspruchung
ausgesetzt sind, der sie besonders gut widerstehen. So wird bei
geringem Gewicht eine hohe Steifigkeit realisiert.
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Im
Detail ist der druckbeaufschlagte Boden vorzugsweise durch eine
im Querschnitt durch den Rumpf kreisbogenabschnittförmige Unterschale
der Primärstruktur
ausgebildet. Durch die Druckbeaufschlagung des Bodens ergeben sich
dann nur resultierende Kräfte,
die tangential zu der Unterschale verlaufen und somit problemlos
von dieser aufgenommen werden.
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Diesem
Gesichtspunkt folgt auch die bevorzugte weitere Ausbildungsform
des neuen Flugzeugs, bei der eine im Querschnitt durch den Rumpf kreisbogenabschnittförmige Oberschale
der Primärstruktur
an die Unterschale angrenzt. Dabei ist vorzugsweise der Kreisbogenradius
der Oberschale kleiner als derjenige der Unterschale. Durch diese Kreisbogenradiusverhältnisse
geht möglichst
wenig Raum unter einer Fußbodenplatte
verloren, die sich vorzugsweise geradlinig zwischen den beiden Übergangsbereichen
zwischen der Unterschale und der Oberschale erstreckt und ihrerseits
nicht druckbeaufschlagt ist. Die Fußbodenplatte ist Teil der Bodengruppe
der Primärstruktur.
Sie begrenzt den Fluggastraum nach unten und trägt die im Fluggastraum ange ordneten
Massen. Bei dem neuen Flugzeug hat die Fußbodenplatte aber auch noch
die Aufgabe, die resultierenden Kräfte aufzunehmen, die sich im Übergangsbereich
zwischen der Unterschale und der Oberschale der Primärstruktur
aufgrund der unterschiedlichen Kreisbogenradien ergeben und die
in Richtung der Fußbodenplatte
verlaufen. Sinnvollerweise dient die Fußbodenplatte ebenso wie die
gesamte Bodengruppe der Primärstruktur
auch zur Aussteifung der Primärstruktur
gegenüber
Biegebeanspruchungen.
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Zwischen
der Unterschale und der Fußbodenplatte
können
zur Versteifung der Fußbodenplatte
Quer- und Längsträger verlaufen.
Dabei sind Sitzschienen in der Fußbodenplatte vorzugsweise im
Bereich von sich vertikal zwischen der Fußbodenplatte und der Unterschale
erstreckenden Längsträgern bzw.
ihrerseits als Längsträger der
Bodengruppe der Primärstruktur
ausgebildet.
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Die
Oberschale der tragenden Primärstruktur
des neuen Flugzeugs ist vorzugsweise aus zwei symmetrisch zur Längsmittelebene
der Rumpfs angeordneten Schalenhälften
ausgebildet, die jeweils eine Innenhaut, eine Außenhaut und dazwischen verlaufende
Stringer aufweisen. Die Schalenhälften sind
jeweils einmal an die Unterschale angesetzt und an der Oberseite
des Rumpfs miteinander verbunden.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und
beschrieben. Dabei zeigt
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1 einen
Rumpf eines Passagierflugzeugs in der Seitenansicht,
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2 einen
Querschnitt durch den Rumpf des Flugzeugs gemäß 1,
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3 ein
Detail des Querschnitts gemäß 2,
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4 den
Rumpf einer alternativen Ausführungsform
des Flugzeugs im Querschnitt,
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5 ein
Detail des Frachtraums in dem Rumpf gemäß 4 in einer
zu 4 senkrechten Ansicht,
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6 einen
Querschnitt durch ein Detail gemäß 5,
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7 einen
Querschnitt durch einen Rumpf eines Flugzeugs in einer weiteren
alternativen Ausführungsform,
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8 einen
Querschnitt durch einen Rumpf eines Flugzeugs in noch einer weiteren
alternativen Ausführungsform,
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9 einen
Querschnitt durch den Rumpf eines Flugzeugs in einer noch weiteren
alternativen Ausführungsform
unter Anordnung eines Containers im Frachtraum,
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10 den
Rumpf gemäß 9 in
einer 9 entsprechenden Ansicht bei Anordnung eines Druckcontainers
in dem Frachtraum,
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11 die
Ausführungsform
des Rumpfs gemäß 9 in
einer 9 entsprechenden Ansicht bei Anordnung von zwei
Druckcontainern in dem Frachtraum,
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12 einen
Querschnitt durch den Rumpf einer weiteren Ausführungsform des Flugzeugs mit einer
Hängematte
als untere Begrenzung des Frachtraums,
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13 eine
Impactbelastung des Rumpfs gemäß 12 von
unten,
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14 einen
Querschnitt durch den Rumpf einer weiteren Ausführungsform des Flugzeugs mit offenem
Frachtraum und darin angeordnetem Hängecontainer, und
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15 eine
Darstellung der durch die Druckbeaufschlagung der Primärstruktur
des Flugzeugs resultierenden Kräfte
im Bereich der Bodengruppe der Primärstruktur.
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Das
in 1 teilweise dargestellte Flugzeug 1 umfasst
einen Rumpf 2, an dem Tragflügel und ein Heckleitwerk gelagert
sind, die aber hier bis auf einen die Tragflügel abstützenden Mittelkasten 4 nicht
wiedergegeben sind. Der Rumpf 2 bildet in dem mit punktierten
Linien schraffierten Bereich eine tragende Primärstruktur 5 aus, die
von innen druckbeaufschlagt ist. Unter der tragenden Primärstruktur
befindet sich in dem Rumpf ein Frachtraum 6 mit einem Bereich
vor einem Auschnitt 3, der den Mittelkasten 4 und
einen Fahrwerkschacht 7 umfasst, und einem dahinterliegenden
Bereich. Zu dem Frachtraum 6 führen Frachttore 8.
Vor dem vorderen Bereich des Frachtraums 6 ist noch ein
Bugradschacht 9 unterhalb der tragenden Primärstruktur 5 angeordnet.
Der gesamte Bereich des Frachtraums 6, des Fahrwerkschachts 7 und
des Bugradschachts 9 ist nicht druckbeaufschlagt. Vielmehr
unterliegt er direkt den Druckschwankungen in der Umgebung des Flugzeugs 1.
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Dies
ist bei der Konstruktion des Rumpfs 2 des Flugzeugs 1 in
der aus 2 ersichtlichen Weise berücksichtigt.
Die tragende Primärstruktur 5 wird hier
von einer Bodengruppe 10 und einer Oberschale 11 ausgebildet.
Die Bodengruppe umfasst eine Unterschale 12, eine Fußbodenplatte 13 und
zwischen der Unterschale 12 und der Fußbodenplatte 13 verlaufende
Querträger 14 und
Längsträger 15.
Oberhalb der Querträger 15 sind
in der Fußbodenplatte Sitzschienen 16 vorgesehen.
Die Fußbodenplatte 13 begrenzt
den Fluggastraum 17 des Flugzeug 1 nach unten.
Die Oberschale 11 besteht aus zwei Schalenhälften 18 und 19,
die einerseits an die Bodengruppe 10 angesetzt und andererseits
in der Längsmittelebene 49 des
Rumpfs 2 miteinander verbunden sind. Der druckbeaufschlagte
Teil der Bodengruppe 10 ist die Unterschale 12,
die einen über
die Längserstreckung des
Rumpfs 2 hinweg durchgängigen
und druckbeaufschlagten Boden 21 ausbildet, der frei von
Stufen und Ausschnitten ist. Unterhalb des Bodens 21 befindet
sich der nicht mehr druckbeaufschlagte Frachtraum 6. Dieser
wird nach unten durch eine Frachtplattform 22 begrenzt,
die über
Aufhängungen 23 an die
Bodengruppe 10 angehängt
ist. Seitlich ist der Frachtraum durch Verkleidungspaneele 24 abgeschlossen,
die an die Oberschale 11 bzw. die Frachtplattform 22 anschließen. Bei
der Ausbildung des Frachtraums 6 muss auf keine Druckbeaufschlagung Rücksicht
genommen werden. Umgekehrt ist der Frachtraum 6 bei dem
Flugzeug 1 ein idealer Schutz für die tragende Primärstruktur 5 für Angriffe
von unten, sowohl im Impactals auch im Crashfall. Die gesamte Konstruktion
des Rumpfs 2 ist damit zur Ausbildung der tragenden Primärstruktur 5 und
auch des Frachtraums 6 aus Faserverbundbauteilen, insbesondere
aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoff, hervorragend geeignet. Es
sind die besten Voraussetzungen für eine kerbbeanspruchungsfreie
und im wesentlichen eindimensionale Belastung der Faserverbundbauteile
gegeben, und die Faserverbundbauteile der tragenden Primärstruktur 5 sind
zusätzlich durch
die nicht zur tragenden Primärstruktur
gehörigen
Teile des Frachtraums geschützt.
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3 zeigt
eine Möglichkeit,
die Wandung der Halbschalen 18 und 19 der Oberschale 1 aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoff
auszubilden. Zwischen einer flächigen
Außenhaut 25 und
einer ebenso flächigen
Innenhaut 26 sind Stringer 27 ausgebildet, wobei
die Stringer 27 durchlaufende Verstärkungsfasern aufweisen, d.
h. Verstärkungsfasern,
die sich in einer gefalteten Zwischenlage 28 über dem Bereich
mehrerer Stringer 27 hinweg erstrecken.
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4 zeigt
eine Variationsmöglichkeit
des in 2 skizzierten Querschnitts des Rumpfs 2.
Dabei ist der einzige Unterschied, dass die Breite der Frachtplattform
hier nicht kleiner sondern genauso groß wie die Breite der Bodengruppe 10 ist,
um den Frachtraum 6 in seiner Breite zu maximieren. Die kantige
Form des Frachtraums 6 gemäß 4 stellt stabilitätstechnisch
gesehen kein Problem dar, weil der Frachtraum 6 bei dem
neuen Flugzeug 1 nicht druckbeaufschlagt ist.
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5 zeigt
eine Möglichkeit,
der Ausbildung der Aufhängungen 23 zum
Anhängen
der Frachtplattform 22 an die Bodengruppe 10 der
tragenden Primärstruktur 5.
An einem Paar von Längsträgern 15 der
Bodengruppe 10 sind Anschlussstücke 29 befestigt.
Entsprechende Anschlussstücke 30 sind
an einen Paar von druck- und zugfesten Längsgurten 31 im Bereich
der Frachtplattform 22 befestigt. Zwischen jedem Anschlussstück 29 und
den ihm in Längsrichtung
benachbarten Anschlussstücken 30 verläuft jeweils
eine Strebe 32, wobei alle Streben 32 einer Aufhängung 23 Teil
eines durchgängigen
Faserverbundbauteils 33 sind. Auf diese Weise wird eine
ununterbrochene Fachwerkstruktur 34 zwischen der Bodengruppe 10 und
der Frachtplattform 22 ausgebildet, die die Frachtplattform 22 gegenüber der Bodengruppe 10 stabilisiert.
Dabei kann neben dem Faserverbundbauteil 33 auch die Frachtplattform 22 mit
den Längsgurten 31 und
die Bodengruppe 10 aus Faserverbundwerkstoff aufgebaut
sein.
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6 zeigt
den Querschnitt durch das Faserverbundbauteil 33. Zu sehen
ist eine faserverstärkte
umlaufende Wandung 35, die durch einen Schaumkern 36 ausgefüllt wird.
Der Längsgurt 31 der Frachtplattform 22 kann
einen bis auf größere Abmessungen
identischen Querschnitt aufweisen.
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Die
folgenden 7 bis 14 zeigen
Variationsmöglichkeiten
bezüglich
des Frachtraums 6 im unteren Bereich des Rumpfs 2 unterhalb
der tragenden Primärstruktur 5 des
Flugzeugs 1.
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Gemäß 7 umfasst
die Bodengruppe 10 der tragenden Primärstruktur 5 zusätzlich Längsträger 37,
die sich von dem Boden 21 beiderseits des Frachtraums 6 nach
unten erstrecken. Zusätzlich
ist ein die Frachtplattform 22 umfassender Frachtraumboden 38 als
mittragende Struktur ausgebildet. Überdies ist hier in dem Frachtraum 6 ein
an den Querschnitt des Frachtraums 6 angepasster Container 31 wiedergegeben.
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In 8 ist
wieder kein Container dargestellt, aber ein Frachtraum mit maximierter
Breite der Frachtplattform 22. Diesmal erreicht die Frachtplattform 22 aber
aufgrund der Längsträger 37 nicht
die Breite der Bodengruppe 10. Bei beiden Ausführungsformen
gemäß den 7 und 8 kann
die Aufhängung 23 der
Frachtplattform 22 ganz oder teilweise durch die Längsträger 37 realisiert
werden, wobei gemäß 8 eigene
Längsträger 40 der
Frachtplattform 22 mit den Längsträgern 37 der Bodengruppe 10 der
tragenden Primärstruktur 5 verbunden
sind.
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In
den 9 bis 11 ist jeweils ein Querschnitt
durch den Rumpf 2 desselben Flugzeugs 1 dargestellt.
Die Darstellungen unterscheiden sich nur durch die in dem Frachtraum 6 angeordneten
Güter. Wie
in 7 umfasst die Bodengruppe 10 zusätzliche
Längsträger 37,
die sich beiderseits des Frachtraums von dem Boden 21 nach
unten erstrecken. Dabei ist in 9 eingezeichnet,
dass hierdurch die effektive Bauhöhe der tragenden Primärstruktur 5 um den
Betrag delta HG gegenüber der Bauhöhe H des druckbeaufschlagten
Raums der Primärstruktur 5 vergrößert wird.
Dies hat positive Einflüsse
auf die Biegesteifigkeit der tragenden Primärstruktur 5 um die
Querachse 41. Die Güter
im Frachtraum 6 werden bei der Ausführungsform des Rumpfs 2 gemäß den 9 bis 11 durch
eine Frachthängematte 42 gehalten.
Nach außen
wird der Frachtraum 6 durch Verkleidungspaneele 24 bzw. öffenbare Frachtraumklappen 43 begrenzt.
Um ein seitliches Pendeln der in der Frachthängematte 42 angeordneten
Fracht zu verhindern, sind Anschläge 44 bzw. 45 vorgesehen.
In 9 verhindern Anschläge 44 das Pendeln
eines Containers 39 mit der Frachthängematte 42. In 10 verhindern
Anschläge 45 das Pendeln
eines druckdichten Containers 46 in der Frachthängematte 42,
und in 11 verhindern Anschläge 45 das
Querpendeln von zwei nebeneinander angeordneten druckdichten Containern 46 mit der
Frachthängematte 42.
Die druckdichten Container 46 sind für solche Güter vorgesehen, die nicht beschädigungslos
den in dem nicht druckbeaufschlagten Frachtraum 6 auftretenden
Luftdruckschwankungen ausgesetzt werden können.
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Die 12 und 13 zeigen
eine Variante des durch eine Frachthängematte 42 abgeschlossenen
Frachtraums 6 gemäß den 9 bis 11. Hier
ist die Frachthängematte 42 nicht
wie in der Ausführungsform
gemäß den 9 bis 11 im
Bereich des Bodens 21 an die Bodengruppe 10 der
tragenden Primärstruktur
angehängt,
sondern im unteren Bereich der Längsträger 37.
Sinn dieser Maßnahme
ist es, dass die Frachthängematte 42 auch
lokal nicht bis zu dem Boden 21 hin angehoben werden kann.
Bei gleichzeitiger Ausbildung der Frachthängematte 42 aus durchschlagfestem
Material schützt
die Frachthängematte 42 den
Boden 21 vor Impactbelastungen, was in 13 am
Beispiel eines durch eine der Frachtraumklappen 43 durchschlagenden Bolzens 47 skizziert
ist. Der Bolzen 47 wird nach dem Durchschlagen der Frachtraumklappe 43 von
der Frachthängematte 42 abgebremst
und aufgefangen, bevor er eine Impactbelastung auf den Boden 21 ausüben kann.
Mit anderen Worten wird durch die Frachthängematte 42 verhindert,
dass es zu äußeren Einwirkungen
auf den Boden 21 kommt, denen gegenüber der Boden 21 besonders
empfindlich ist, wenn er, wie es bei dem neuen Flugzeug 1 bevorzugt ist,
aus einer Unterschale 12 aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoff
ausgebildet ist.
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14 skizziert,
dass der Frachtraum 6 bei dem neuen Flugzeug nicht durch
Teile des Rumpfs 2 nach unten abgeschlossen sein muss.
Vielmehr können
auch Hängecontainer 48 vorgesehen
sein, von denen einer hier zwischen den Längsträgern 37 angeordnet
ist, dessen Unterseite 50 die aerodynamische Oberfläche an der
Unterseite des Rumpfs 2 ausbildet. Es ist offensichtlich,
dass der Hängecontainer 48 gemäß 14 besonders
leicht zugänglich und
daher schnell auswechselbar sein kann, was die Be- und Entladezeit
des Flugzeug 1 erheblich verkürzt.
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15 skizziert
die bei dem neuen Flugzeug 1 gemäß 1 vorherrschenden
Kraftverhältnisse
in dem Übergangsbereich 20 zwischen
der Bodengruppe 10 und der Oberschale 11. Die
in Querschnitt kreisbogenabschnittförmige Oberschale 11 wird durch
den im Inneren des Fluggastraums 17 herrschenden Druck
P bis auf den Übergangsbereich 20 zu
der Bodengruppe 10 nur in ihrer Haupterstreckungsrichtung
beansprucht, d. h. es liegt insoweit eine einachsige Belastung vor,
der mit Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen gut begegnet werden kann. Dasselbe
gilt für
die im Querschnitt ebenfalls kreisbogenabschnittförmige Unterschale 12,
die den Boden 21 ausbildet. In dem Übergangsbereich 20 zwischen der
Unterschale 12 und der Oberschale 11 resultiert aus
den unterschiedlichen Kreisbogenradien und den damit unterschiedlichen
tangentialen Kräften
FU und FO eine nach
innen gerichtete Kraft FF, die in der Richtung
der Fußbodenplatte 13 verläuft und
von dieser aufgenommen wird. Dabei wird auch die Fußbodenplatte 13 in
für Kohlenfaserverbundwerkstoffe günstiger
Weise insoweit nur eindimensional beansprucht. Weitere Beanspruchungen
der Oberschale 12, der Unterschale 11 und der
Fußbodenplatte 13 sowie
der gesamten Fußbodengruppe
kommen durch Biegebelastungen der Primärstruktur 4 hinzu.
-
- 1
- Flugzeug
- 2
- Rumpf
- 3
- Ausschnitt
- 4
- Mittelkasten
- 5
- Primärstruktur
- 6
- Frachtraum
- 7
- Fahrwerkschacht
- 8
- Frachttor
- 9
- Bugradschacht
- 10
- Bodengruppe
- 11
- Oberschale
- 12
- Unterschale
- 13
- Fußbodenplatte
- 14
- Querträger
- 15
- Längsträger
- 16
- Sitzschiene
- 17
- Fluggastraum
- 18
- Halbschale
- 19
- Halbschale
- 20
- Übergangsbereich
- 21
- Boden
- 22
- Frachtplattform
- 23
- Aufhängung
- 24
- Verkleidungspaneel
- 25
- Außenhaut
- 26
- Innenhaut
- 27
- Stringer
- 28
- Zwischenlage
- 29
- Anschlussstück
- 30
- Anschlussstück
- 31
- Längsgurt
- 32
- Strebe
- 33
- Faserverbundbauteil
- 34
- Fachwerkstruktur
- 35
- Wandung
- 36
- Schaumkern
- 37
- Längsträger
- 38
- Frachtraumboden
- 39
- Container
- 40
- Längsträger
- 41
- Querachse
- 42
- Frachthängematte
- 43
- Frachtraumklappe
- 44
- Anschlag
- 45
- Anschlag
- 46
- Container
- 47
- Bolzen
- 48
- Hängecontainer
- 49
- Längsmittelebene