-
Die
vorliegende Erfindung betrifft aktive Strukturelemente von Flugzeugen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Strukturelement
für ein
Flugzeug, umfassend ein aktives Element und ein passives Element,
ein Flugzeug, umfassend ein entsprechendes Strukturelement, die
Verwendung eines Strukturelements in einem Flugzeug und ein Verfahren
zur aktiven Strukturierung von Flugzeugen.
-
Fußbodenstrukturen,
welche Fußbodenquerträger und
Sitzschienen umfassen, werden im Rumpf von Flächenflugzeugen mit Nieten rechts
und links mit den Spanten verbunden und über die sog. Samerstangen senkrecht
nach unten wiederum auf den Spanten abgestützt. Die Sitzschienen verlaufen hierbei
quer über
die Querträger.
Die Fußbodenstrukturen
werden mit Hilfe von Fußbodenplatten
geschlossen. Durch diese Konstruktion soll ein möglichst steifer Fußboden realisiert
werden.
-
Trotz
der oben beschriebenen Versteifung ist die gesamte Rumpfstruktur
als elastisches Gebilde zu betrachten. Aufgrund von Böenlasten
und Flugmanövern
werden die unterschiedlichsten elastischen Verformungen in den Rumpf
eingeleitet. Je länger
ein Rumpf ist, desto mehr treten Schwingungen auf, welche zu einem
sog. „Fishtailing-Effekt" führen können, bei
dem das Rumpfheck wie ein Fischschwanz hin und her schwingt. Schwingungen im
Rumpf beeinträchtigen
den Komfort der Passagiere. Bei sehr großen Fußbodenstrukturen ist zudem auch
der Fußboden
in Gefahr, als elastische Struktur erlebt zu werden.
-
Eine
weitere Versteifung von Rümpfen
stößt gerade
bei einem großen
Länge/Durchmesser-Verhältnis schnell
an Gewichtsprobleme, d.h. weitere Versteifungen durch mehr Material
führen
zu deutlich mehr Gewichtszuwachs bei relativ geringen Verbesserungen
der Steifigkeit.
-
Die
DE 102 26 241 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Unterdrückung
von elastischen Flugzeug-Rumpfbewegungen. Hierbei wird ein Sensor-Messsystem
zur Erfassung der Rumpfbewegungen verwendet und die elastischen
Rumpfbewegungen werden daraufhin durch ein im Flugzeug angeordnetes
Masse-System unterdrückt.
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Rumpfstruktur
für Flugzeuge anzugeben.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird die obige Aufgabe mittels einem
Strukturelement für
Flugzeuge gelöst,
das Strukturelement umfassend ein aktives Element und ein passives
Element, wobei das aktive Element zur steuerbaren oder regelbaren
aktiven Einleitung von Kräften
in das passive Element ausgeführt
ist und wobei das Strukturelement zur Versteifung eines Rumpfes,
zur Reduzierung von Verformungen des Rumpfes oder zur Dämpfung von
Vibrationen des Rumpfes ausgeführt
ist.
-
Durch
die Ausgestaltung des aktiven Elements zur steuerbaren oder regelbaren
aktiven Einleitung von Kräften
in das passive Element können gezielt
Gegenkräfte
an das passive Element angelegt werden, welche beispielsweise einer
Verbiegung des Rumpfes, welcher durch das Strukturelement gestützt, gefestigt
bzw. stabilisiert wird, entgegenwirken. Somit kann das Verhalten
von Rumpfstrukturen aktiv beeinflusst werden, um einer Verformung
durch äußere Lasten
entgegenzuwirken. Eine solche aktive Kontrolle kann erfindungsgemäß ohne die
erwähnten Gewichtsnachteile
einer konventionellen massebehafteten Strukturversteifung erfolgen,
welche prinzipiell einen erhöhten
Materialeinsatz bedeuten würde. Durch
die Bereitstellung einer leistungsstarken und schnellen Regelungselektronik
können
Vibrationen des Rumpfes gedämpft
werden, was insbesondere zu einer erheblichen Geräuschunterdrückung in
der Kabine führt.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist das aktive Element weiterhin zur aktiven
Versteifung des Strukturelements ausgeführt, wobei das aktive Element
im Wesentlichen in dem passiven Element integriert ist.
-
Vorteilhafterweise
können
durch die aktive Einleitung von Kräften in das passive Element,
welche zielgerichtet erfolgt, Strukturelemente stabilisiert bzw.
versteift werden. Hierdurch kann der Passagierkomfort erhöht werden.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung umfasst das aktive Element eine Piezokeramik,
wobei die Piezokeramik durch das Anlegen eines Spannungssignals
an die Piezokeramik verformbar ist.
-
Basierend
auf dem inversen piezoelektrischen Effekt kann somit durch eine
elektrische Ansteuerung die mechanische Eigenschaft der Piezokeramik
verändert
werden. Aufgrund der Integration der Keramik in das passive Element
lässt sich
eine Verformung des Strukturelements aktiv beeinflussen.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung sind elektrische Kontakte zur Messung einer
von der Piezokeramik erzeugten Spannung oder einer Kapazität der Piezokeramik vorgesehen,
wobei die erzeugte Spannung mit einer auf die Piezokeramik einwirkenden
Kraft korrespondiert und wobei die Kapazität mit einer Temperatur der
Piezokeramik korrespondiert.
-
Über die
elektrischen Kontakte können
demzufolge Spannung oder Kapazität
der Piezokeramik gemessen werden. Die Messung erfolgt beispielsweise über eine
Messelektronik. Gemäß eines
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung wird der gemessene Datensatz nachfolgend
innerhalb einer Auswerteelektronik ausgewertet und zur Erzeugung
eines Steuer- oder Regelsignals für das aktive Element durch
eine Steuerungs- oder
Regelungselektronik verwendet.
-
Vorteilhafterweise
kann über
eine Erfassung der internen Kräfte
und der sie auslösenden
Flugmanöver
und Böenlasten
(über die
Flugsteuerung bzw. auch über
kleine Piezo-Beschleunigungssensoren) für jeden
Zeitpunkt die Wirkung auf den Rumpf erfasst werden.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist das passive Element ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Fußbodenstruktur,
Spant, Querträger
und Samerstange.
-
Somit
können
aktive und sog. „smarte" Materialien, z.B.
auf Basis von Piezokeramiken, an Koppelstellen zwischen Fußbodenstruktur
und Spanten, insbesondere Koppelstellenquerträger-Spante und Querträger-Samerstangen,
zur aktiven Vibrationsreduktion oder Dämpfung bzw. der Reduzierung
von Verformungen des Rumpfes eingesetzt werden.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur aktiven Strukturierung
von Flugzeugen angegeben. Hierbei wird ein Steuer- oder Regelsignal
für ein
aktives Element eines Strukturelements durch eine Steuerungs- oder
Regelungselektronik erzeugt und nachfolgend das aktive Element mit
dem Steuer- oder Regelsignal angesteuert. Das Strukturelement umfasst hierbei
das aktive Element und ein passives Element, wobei das aktive Element
zur steuerbaren oder regelbaren aktiven Einleitung von Kräften in
das passive Element ausgeführt
ist und wobei das Strukturelement zur Reduzierung von Verformungen
eines Rumpfes oder zur Dämpfung
von Vibrationen des Rumpfes ausgeführt ist.
-
Gemäß dieses
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung wird ein einfaches und schnelles Verfahren
angegeben, durch welches eine aktive Schwingungsdämpfung oder
eine aktive Verformungsreduzierung des Rumpfes oder eine aktive Versteifung
des Strukturelements bereitgestellt wird. Die erfindungsgemäße Kontrolle
erfolgt hierbei ohne Gewichtsnachteile einer konventionellen massebehafteten
Strukturversteifung. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Komfort
in der Kabine, der durch Schwingungen jeder Art beeinträchtigt wird,
weitgehend gewichtsneutral verbessert werden.
-
Weitere
Aufgaben, Ausführungsformen
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
den nebengeordneten Ansprüchen.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
beschrieben.
-
1 zeigt
eine schematische Querschnittsdarstellung eines Flugzeugrumpfes.
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung eines aktiven Elements gemäß eines
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung.
-
3 zeigt
eine schematische Querschnittsdarstellung eines Strukturelements
gemäß eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung, welches in den Rumpf eines Flugzeuges
eingebaut ist.
-
In
der folgenden Figurenbeschreibung werden für gleiche oder ähnliche
Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
-
1 zeigt
eine schematische Querschnittsdarstellung eines Flugzeugrumpfes.
Wie 1 zu entnehmen ist, weist der Flugzeugrumpf 1 eine
Außenhülle 2 auf,
welche durch Querträger 3, 4 und
Samerstangen 5, 6 stabilisiert, gestützt und
verstärkt wird.
Die Querträger 3, 4,
welche die Fußbodenstrukturen
im Rumpf des Flugzeugs tragen, sind rechts und links mit den Flugzeugspanten
(nicht dargestellt in 1) über Nieten verbunden. Die Samerstangen 5, 6 dienen
dazu, den Fußbodenquerträger 4 nach unten
auf den Spanten abzustützen.
Durch diese Konstruktion soll ein möglichst steifer Fußboden realisiert
werden.
-
Durch
Windböen
oder durch die Triebwerke werden teilweise erhebliche Kräfte in die
Flugzeugstruktur eingeleitet, welche beispielsweise zu ungewollten
Resonanzschwingungen oder Vibrationen führen können. Diese Vibrationen können teilweise
zu erheblichen Geräuschbelastungen
(beispielsweise hervorgerufen durch Resonanzschwingungen der Panels)
und Komfortbeeinträchtigungen (beispielsweise
hervorgerufen durch Schwingungen der Sitze) innerhalb der Flugzeugkabine
führen.
Erfindungsgemäß werden
die elastischen Verformungen des Rumpfes aufgrund der oben genannten
Lasten ohne eine Erhöhung
der Strukturmasse reduziert.
-
Durch
die erfindungsgemäße Verwendung von
Strukturelementen, welche aktive und passive Elemente umfassen,
kann eine Versteifung des Fußbodens
oder des ganzen Rumpfes bezüglich
Biegung und Torsion erhöht
werden.
-
Beispielsweise
werden, wie in 1 schematisch dargestellt, aktive
Elemente 7, 8, 9, 10 zwischen
die Samerstangen 5, 6 und dem Querträger 4 bzw.
zwischen den Samerstangen 5, 6 und der Außenhülle 2 (bzw.
einem Rumpfspant) angebracht. Die Samerstange 5 und die
aktiven Elemente 7, 8 bilden somit ein erfindungsgemäßes Strukturelement
aus, welches der Versteifung des Rumpfes, der Reduzierung von Rumpfverformungen
und der aktiven Dämpfung
von Vibrationen des Rumpfes dient. Ebenso bilden Samerstange 6 und
aktive Elemente 9, 10 ein derartiges zweites Strukturelement
zu eben diesem Zweck aus.
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung eines aktiven Elements gemäß eines
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung. Es handelt sich hier um den Teilausschnitt
A der 1.
-
Das
aktive Element 10 weist ein oberes Verbindungselement 11 und
ein unteres Verbindungselement 12 auf. Weiterhin weist
es Leitungen 14, 15 auf, die einer elektrischen,
hydraulischen oder pneumatischen Energiezufuhr dienen.
-
Das
untere Verbindungselement 12 ist mit der Außenhaut 2 oder
einem Spant verbunden und das obere Verbindungselement 11 ist
beispielsweise mit der in 1 gezeigten
Samerstange 6 verbunden. Durch die Einleitung von entsprechenden
Steuerungs- oder Regelungssignalen in das aktive Element 10 über die
Leitungen 14, 15 bzw. durch die entsprechende
Einleitung oder Ausleitung von Hydraulikflüssigkeit oder Druckluft, dehnt
sich das aktive Element 10 aus oder zieht sich zusammen.
Hierdurch werden Kräfte
von dem aktiven Element 10 über das obere Verbindungselement 11 in
die Samerstange 6 (s. 1) eingeleitet,
was zu einer Vibrationsdämpfung
führen
kann. Hierdurch können äußere Kräfte ausgeglichen
werden. Die Bewegung des aktiven Elements 10 ist durch
Pfeil 13 symbolisiert.
-
3 zeigt
eine schematische Querschnittsdarstellung eines Strukturelements
gemäß eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung, welches in den Rumpf eines Flugzeugs
eingebaut ist. Es handelt sich hier um den Teilausschnitt B der 1.
-
Das
erfindungsgemäße Strukturelement
besteht aus einem passiven Element 3, bei dem es sich beispielsweise
um einen Querträger
handelt, der eine Fußbodenstruktur
trägt (s. 1),
und aktiven Elementen 20, 21 und 22.
-
Die
aktiven Elemente 20, 21, 22 sind hierbei in
Form von Piezokeramiken ausgeführt,
welche durch das Anlegen eines Spannungssignals über Zuleitungen 24, 25, 26 verformbar
sind. Die Verformung erfolgt hierbei insbesondere über eine
Stauchung oder Dehnung der Kristalle 20, 21, 22 in
Richtung der Pfeile 27, 28, 29, 30.
Sämtliche
aktiven Elemente 20, 21, 22 können über die
Steuer- und Regelungselektronik 31 angesteuert werden.
-
Insbesondere
kann durch die Einbringung eines Biegemomenten-Paares 21, 22 in
den Fußbodenbalken
oder Querträger 3 eine
Versteifung des Fußbodens
erreicht werden. Auch können
somit Verformungen des Fußbodens
oder des gesamten Rumpfes reduziert werden oder Vibrationen gedämpft werden.
-
Die
Steuer- oder Regelungselektronik 31 kann weiterhin eine
Messelektronik und eine Auswerteelektronik umfassen. Die Messelektronik
kann zur Messung von physikalischen Variablen verwendet werden,
wie beispielsweise einer durch eines der Piezoelemente 20, 21, 22 erzeugten
Spannung (welche beispielsweise aufgrund eines auf das Element 20 ausgeübten Druckes
erzeugt wird), oder einer Kapazität eines der piezoelektrischen
Elemente 20, 21, 22. Über die Spannungsmessung kann
auf die auf das entsprechende piezoelektrische Element einwirkende
Kraft rückgeschlossen
werden und über
die Kapazität
eines piezoelektrischen Elementes 20, 21, 22 kann
beispielsweise auf die Temperatur des entsprechenden Elements rückgeschlossen
werden.
-
Da
die Temperatur des piezoelektrischen Elements seinen Dehnungskoeffizienten
beeinflusst (mit Dehnungskoeffizient ist hier das Verhältnis zwischen
der an ein Piezoelement angelegten Spannung und der daraus resultierenden
Stauchung bzw. Ausdehnung des Piezoelements gemeint), kann die Kenntnis
der aktuellen Temperatur des Piezoelements vorteilhafterweise dazu
eingesetzt werden, die Steuer- oder Regelungssignale zum Antreiben
der aktiven Elemente 20, 21, 22 zu eichen
beispielsweise können
bei sinkenden Temperaturen die Amplituden der Steuersignale entsprechend
erhöht
werden, so dass eine gleichmäßige Steuerung
gewährleistet
ist.
-
Die
Messung der durch die Piezokeramik erzeugten Spannung, welche auf
dem direkten piezoelektrischen Effekt beruht, kann hingegen zur
Rückschließung auf
interne Kräfte
in dem Strukturelement verwendet werden. Die entsprechenden Messwerte können dann
in der Auswerteelektronik in Verbindung mit Kenntnis der sie auslösenden Flugmanöver und
Böenlasten,
welche beispielsweise über
die Flugsteuerung oder auch über
kleine Piezo-Beschleunigungssensoren oder andere Sensoren bereitgestellt
werden, erfasst und ausgewertet werden. Somit kann für jeden
Zeitpunkt die Wirkung von Böen und
Flugmanövern
bzw. die Gegenwirkung der aktiven Elemente auf den Rumpf erfasst
und ausgewertet werden.
-
Da
sich bei Piezokeramiken, basierend auf dem inversen piezoelektrischen
Effekt, durch eine elektrische Ansteuerung die mechanischen Eigenschaften
der Keramik verändern
lassen, können durch
Integration dieser Keramiken in die passiven Elemente der Strukturelemente
Verformungen beispielsweise der Fußbodenstruktur aktiv beeinflusst werden.
Durch äußere Kräfte hervorgerufene
Verformungen lassen sich durch entsprechende Gegenkräfte damit
kompensieren. Außerdem
lassen sich gezielt Kräfte
in die Struktur einleiten und so die Struktur aktiv dämpfen bzw.
aktiv versteifen.
-
Insbesondere
bieten Piezokeramiken, welche zur erfindungsgemäßen aktiven Dämpfung bzw. Versteifung
und zur Sensorik eingesetzt werden, den Vorteil, dass sie auch bei äußerst tiefen
Temperaturen (bis hinab in den Millikelvinbereich), bei niedrigem
Luftdruck (bis hinab in den Ultrahochvakuumbereich) und bei hohen
Magnetfeldern zuverlässig
und störungsfrei
einsetzbar sind. Hierdurch ist das erfindungsgemäße Strukturelement nicht nur
in der Luftfahrt, sondern beispielsweise auch in der Raumfahrt, wo
extreme Umgebungsbedingungen herrschen, einsetzbar.
-
Aufgrund
der hohen Sensitivität
der piezoelektrischen aktiven Elemente können auch minimale mechanische Änderungen
bzw. Verbiegungen oder Spannungen der Struktur oder aber auch Temperaturänderungen
detektiert werden.
-
Weiterhin
kann eine Analyse der Messdatensätze
(Strukturkräfte
und Flugmanöver)
in einem neuronalen Netz innerhalb der Analyseelektronik erfolgen,
wodurch verschiedene Lastzustände
besser voraussehbar sind, so dass ggf. rechtzeitig entsprechend
entgegengewirkt werden kann. Weiterhin kann mit den Daten, beispielsweise über ein
finites Elementeverfahren, die Rumpfstruktur bezüglich der unterschiedlichen
Belastungssituationen optimiert werden.
-
Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf die in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsformen.
Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten denkbar, welche von der
dargestellten Lösung
und dem erfindungsgemäßen Prinzip auch
bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungsformen
Gebrauch macht.
-
Ergänzend ist
darauf hinzuweisen, dass „umfassend" keine anderen Elemente
oder Schritte ausschließt
und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner
sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis
auf eines der obigen Ausführungsbeispiele
beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen
oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden
können.
Bezugszeichen in den Ansprüchen
sind nicht als Einschränkung
anzusehen.