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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein System, das vor heftigen elektrischen Entladungen
schützt,
die durch den Blitzeinschlag auf Flugzeugkraftstofftanks verursacht
werden, die aus einem Compositematerial bzw. Verbundmaterial (z.
B. Kohlefaser) mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit gefertigt sind, sowie
ein Verfahren zu dessen Fertigung.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Verbundmaterialien bieten einen hohen elektrischen Widerstand im
Vergleich zu Metallmaterialien, die herkömmlicherweise für die Fertigung
von Brennstoff- bzw. Kraftstofftanks verwendet werden. Während ein
Metallmaterial vom elektrischen Standpunkt aus als ein isotropes
Material angesehen werden kann, hat das betreffende Verbundmaterial
(z. B. Kohlefaser mit Epoxid-Matrix) nicht das gleiche Verhalten.
Die geringe Leitfähigkeit,
die es für
das Verbundmaterial gibt, besteht auf Grund der Tatsache, dass die
elektrische Kontinuität
in diesem Material nur abhängig
von der Faserrichtung bewirkt wird. Die Kohlefasern haben eine bestimmte
elektrische Kontinuität,
so dass die Fasern dieses Materials einen hohen elektrischen Widerstand
entlang deren rechtwinkligen Richtung (Anisotropie) abhängig von
der Epoxid-Matrix aufweisen.
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Das
Verhalten dieses Materials spiegelt sich in der schematischen Darstellung
von 1 wieder. Diese schematische Darstellung zeigt
die zwei fundamentalen Elemente von jeder Struktur, die durch das
Auflegen einer Verbundmaterial-Schicht aufgebaut ist. Die Verbundmaterial-Fasern
ermöglichen es,
dass der elektrische Strom leicht durch sie hindurchfließt, während das
Harz, das diese Fasern verbindet und ihnen eine Konsistenz verleiht,
nicht zulässt,
dass der elektrische Strom dort hindurch gelangt. Das Harz wird
zerstört,
wenn es einer hohen Stromdichte ausgesetzt ist. Die erwähnte Zerstörung verursacht
ein Versagen der mechanischen Eigenschaften sowie einen Mangel der
Auslaufdichtigkeit für
jene Strukturen, die Flüssigkeiten
enthalten, wie es tatsächlich
bei Kraftstofftanks vorkommt.
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Unten
werden die Erscheinungen in Verbindung mit sowohl gemäßigten als
auch heftigen elektrischen Entladungen (Blitzeinschlag) aufgeführt, die für eine Struktur,
die aus einem Verbundmaterial hergestellt ist, verhindert werden
müssen,
um die strukturelle Unversehrtheit/Dichtigkeit zu gewährleisten:
- – Wärmepunkte.
Hohe Dichte des elektrischen Stroms an bestimmten punktförmigen Stellen
der Struktur wie Verbindungen oder Kreuzungselementen, die Punkte
mit hoher Temperatur verursachen kann. Sollte diese Temperatur 200°C überschreiten
(der Selbstzündungspunkt,
wie er durch die Kraftstoffbehörde
FAA/JAA angesehen wird), kann der Kraftstoff den Entzündungspunkt erreichen,
wenn die estequiometrischen Konzentrationen, die dem Inneren des
Kraftstofftanks entsprechen, übertragen
werden.
- – Strukturelle
Beschädigung
(Löcher,
Schichtablösungen,
Schmelzen des Materials ...): eine strukturelle Beschädigung wird
verursacht, wenn eine Struktur einem starken Blitzeinschlag ausgesetzt
ist. Sollte diese Beschädigung
sehr schwerwiegend sein, kann sie einen umfassenden strukturellen
Ausfall verursachen.
- – Funkenbildungserscheinungen:
der elektrische Stromfluss, der durch Materialien mit unterschiedlichen
spezifischen Widerständen
geführt
wird und sich an geometrisch getrennten Stellen befindet, kann zwischen
ihnen ein e lektrisch unterschiedliches Potenzial erzeugen. Es werden
elektrische Bogenentladungen verursacht (Funkenbildungsbedingung),
wobei damit die Zündung
des Kraftstoffs/der leicht entzündlichen
Flüssigkeiten, die
im Inneren der Struktur enthalten sind, hervorgerufen wird.
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Wie
zuvor beschrieben wurde, erzeugt die Nutzung von Verbundmaterialien
mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit
zur Herstellung von Kraftstofftanks ein zusätzliches Risiko, das mit einer
strukturellen Beschädigung
verbunden ist. Sie kann einen umfassenden/katastrophalen Ausfall
mit sich bringen. Dies ist der Grund, warum das betreffende Element
mit dem entsprechenden Schutz bereitgestellt werden muss, um zu
verhindern, dass das Risiko als Ergebnis eines von der Natur verursachten
heftigen Blitzeinschlags (Blitze) stattfindet. Das System dieser Erfindung
zeigt die Möglichkeit,
eine Kraftstofftank-Struktur mit Materialien, einer Reihe von Elementen
und deren entsprechenden Konstruktion bereitzustellen, um den Schutz
zu optimieren.
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Die
aus Verbundmaterialien und speziell Kohlefasern hergestellten Strukturen
weisen einen ohmschen Widerstandswert auf, der um das 1000-fache über dem
einer Struktur liegt, die dem Aluminiummaterial entspricht. Durch
die auf Grund der elektrischen Entladungstests und Studien gewonnenen Erfahrungen
erlauben es die Umstände,
das Verhalten einer Struktur vorauszusehen, die aus Kohlefaser (oder
einem beliebigen anderen Verbundmaterial mit niedriger elektrischer
Leitfähigkeit)
gefertigt ist. Der verursachte Schaden ist bedeutend und von unterschiedlicher
Natur. Daher muss das Schutzsystem so angenommen werden, dass man
diese dem Material innewohnenden Eigenschaften in Gedanken hat.
Der Beschädigungsmechanismus,
der durch die elektrischen Entladungen auf der Kohlefaser-Struktur
im Vergleich mit herkömmlichen
Metallbauteilen (Aluminiummaterial) hervorgerufen wird, kann sich
in der folgenden Weise un terscheiden. Während auf Grund der bestehenden
hohen Temperaturen und des geringfügigen, dem Verfahren innewohnenden
Verformungsfehler die herkömmliche
Beschädigung
der Metallbauteile häufig
als durch die Erwärmung
des Materials bis zum Erreichen seines Schmelzzustands verursachte
Perforation dargestellt wird, zeigt das Kohlefaser-Verbundmaterial
eine Beschädigung durch
Schichtablösung
(wie herausgezogene und gerissene Materialfasern). Diese Beschädigung kann mit
einer sichtbar beeinträchtigten
Oberfläche
verbunden sein. Die Oberflächenbeeinträchtigung
erweist sich als größer als
die beim Metallmaterial beobachtete, die häufige Perforationen/Löcher in
dem Bereich zeigt, in dem die elektrische Entladungen aufgetroffen
sind. Die nachlassenden elektrischen Eigenschaften sind nicht länger auf
einen Perforationsfehler mit den entsprechenden örtlichen Spannungen beschränkt, die
sich in diesem Bereich angesammelt haben, sondern es tritt außerdem eine
Einschränkung
der Eigenschaften im größeren Ausmaß durch den
Bruch der Materialfasern auf, die hauptsächlich auf die Lagerung der
Last unter Berücksichtigung
der Ausführung
der Struktur reagieren.
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Betrachtet
man den hohen elektrischen Widerstand der bisher untersuchten Verbundmaterial-Struktur,
ist die herkömmliche,
für Metallmaterialien
verwendete Hypothese, die es ermöglicht,
den elektrischen Stromimpuls, der die Wirkung des Blitzeinschlags
nachahmt, auf eine Nullfrequenz zu vereinfachen, nicht auf diesen
letzten Typ von Verbundmaterial- Struktur anwendbar. Dadurch kommt
es, dass die Frequenz durch Einbeziehung elektrischer Stromspitzen,
Phasenverschiebungen und Übergangsströme betrachtet
werden muss, die die durch die gleiche Struktur hervorgerufene Wirkung
steigert und die der Struktur zugefügte Beschädigung vergrößert. Diese
soll andere Erscheinungen wie die Funkenbildung betonen. Diese Erscheinungen
zeigen, dass der Potenzialunterschied durch induzierte Ströme und Phasenverschiebungen
die Lichtbogen-Funkenbildung im Kraftstofftank hervorrufen kann.
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Die
hier gezeigte Erfindung betrifft die Darstellung eines Systems auf
der Basis der hauptsächlichen
Richtungsweiser für
die Herstellung der Verbundmaterial-Tanks mit der Möglichkeit,
Metallelemente (metallische Unterstrukturen mit hoher Leitfähigkeit,
Gewebe) hinzuzufügen,
um die Unversehrtheit des hergestellten Kraftstofftanks zu gewährleisten
und Ereignisse wie den Blitzeinschlag auszugleichen.
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Die
Erfindung betrifft die Praxis, das betreffende Element (Tank für Kraftstoff
oder andere leicht entzündliche
Flüssigkeiten)
mittels der optimalen Anordnung der freiliegenden Elemente zu errichten,
um zu gewährleisten,
dass, wenn ein Blitzeinschlag auftritt, der Kraftstofftank die Fähigkeit
hat, den elektrischen Strom zu leiten, indem er einen Teil des elektrischen
Lichtbogens bildet. Außerdem
ermöglicht
es die Art, wie die Außenhaut
des Flugzeugs, innere strukturelle Teile, Befestigungseinrichtungen
(Nieten), Metallgewebe und andere Elemente, die speziell zum Schutz
vorgesehen sind, angeordnet sind, einen Kraftstofftank zu erhalten,
der die direkte Wirkung der elektrischen Stromentladungen aufnehmen kann.
Jene Folgen, die vom Blitzeinschlag herrühren, werden behoben, wobei
die darauf zurückzuführenden
Wirkungen dieses Ereignisses ebenfalls gelindert werden.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Das
hiermit offenbarte Schutzsystem wird so behandelt, dass es die Beschädigungen
minimiert, die an Kraftstofftanks hervorgerufen werden, die aus Verbundmaterial
(das heutzutage üblicherweise
für Luftfahrt-Strukturen
verwendet wird) hergestellt sind, indem der elektrische Strom, den
ein Umgebungsblitz durch Blitzeinschlag oder beliebige andere elektrische
Entladungen mit hoher Intensität
freisetzt, kanalisiert wird. Die Verteilung des elektrischen Stroms wird
damit unterstützt und
Leitungswege mit einem niedrigen elektrischen Widerstand ermöglicht.
Die schwere strukturelle Beschädigung
kann auf diese Weise vermieden werden, wenn ein Blitz auf Teile
mit hohem elektrischen Widerstand auftrifft, die im Flugzeug-Aufbau
integriert sind.
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Das
System wird eine umfassende Struktur als seinen größten Teil
betrachten, die aus einem Verbundmaterial mit niedriger Leitfähigkeit
(wie dem Kohlefaser-Material) hergestellt ist, das innere Elemente
oder eine Unterstruktur hat, die sowohl aus Metall als auch aus
einem Verbundstoff hergestellt sein können. Im Allgemeinen und wie
zuvor beschrieben wurde, haben die Verbundmaterialien in einer Richtung
rechtwinklig zur Faser eine niedrige elektrische Leitfähigkeit,
so dass ein heftiger Blitzeinschlag (der von einem Umgebungsblitz
herrührt) – der lediglich
ohne jegliche Schutzmedien vorkommt – zu einer Beschädigung führen kann,
die auf einen Fehler des strukturellen Aufbaus des Kraftstofftanks
oder den Zustand einer ausgefallenen Flüssigkeitsdichtigkeit zurückfällt. Im
Allgemeinen ist in diesem Fall der Hauptparameter, durch den die
Einschätzung
der Beschädigung
bestimmt werden kann, die Dicke des verwendeten Materials.
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Grundsätzlich wird
sich die allgemeine Konfiguration der Struktur, die den Kraftstofftank
integriert, der verwendet wird, um leicht entzündbare Flüssigkeiten zu enthalten, und
die dem Schutzsystem dieser Erfindung unterliegt, aus dem Folgenden
zusammensetzen:
Eine äußere Tankbeschichtung
mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit,
die aber kein isolierendes Verbundmaterial ist. Das Karbonfieber-Material
ist das üblicherweise
akzeptierte Material für
einen solchen Zweck für
die vorliegende Struktur, und das, mit dem man sich am meisten befasst
hat.
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Ein
Teil plus einem inneren Element, das aus einem Verbund- oder Metallmaterial
bestehen kann. Das besagte Element kann als ein Element angesehen
werden, das die Struktur integriert und der elektrischen Stromleitung
durch einen Befestigungsschaft zugeordnet ist, der mit einer Metall-Unterlegscheibe
versehen ist, die die elektrische Leitfähigkeit und die Befestigungsabsicht
verbessert.
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Ein
Befestigungsteil wie eine Niete oder eine Titanschraube, das die
zwei oben erwähnten
Elemente (Teil plus inneres Element) verbindet. Das Befestigungsteil
wird einen Senkkopf haben und mit einer Metall-Unterlegscheibe versehen
sein (wenn das innere Element ebenfalls aus Metallmaterial gefertigt ist).
Es wird mit einem Isolationsmaterial (d. h. Glasfaser) ausgestattet
sein, wenn das innere Element aus Verbundmaterial besteht. Das Befestigungsteil wird
eine metallische Mutter aufweisen, falls erforderlich, um die integrierten
Teile zu befestigen. Für
die richtige Installation des Befestigungsteils kann eine Unterlegscheibe
zwischen der Mutter und der unteren Fläche des zu befestigenden inneren
Teils erforderlich sein. Wenn das innere Teil aus Verbundstoff besteht,
wird die Unterlegscheibe aus isolierendem Material wie zum Beispiel
Glasfasermaterial bestehen. Eine Metall-Unterlegscheibe wird verwendet, wenn
das innere Teil ebenfalls aus Metallmaterial hergestellt ist. Dies
wird die Kompatibilität
der Materialien gewährleisten.
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Schließlich wird
die Struktur mittels einer organischen Deckschicht gestrichen, die
ihre äußere Oberfläche bedeckt.
Ein solches Blitzschutzsystem ist im Patent
EP 976 653 gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 offenbart.
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Aus
diesem Grund und unter Berücksichtigung
aller Untersuchungsstudien und früherer Erfahrungen beim Schutz
dieser Art von Struktur, wird eine Konfiguration vorgeschlagen,
um den elektrischen Stromfluss, der durch diese Strukturen fließt, durch Verwendung
der folgenden Komponenten bzw. Bauteile zu optimieren:
- – Äußeres dünnes Drahtgewebe
aus Bronzematerial, das auf die äußere Oberfläche des
Kraftstofftanks installiert wird, zur Verteilung des elektrischen
Stroms beiträgt
und eine punktförmige Stelle
der Beschädigung
verhindert. Diese Art von Gewebe, die mit einer entsprechenden Strukturdicke
versehen ist, wird eine Verhinderung vor Perforationen und Löchern im
Kraftstofftank bieten. Dies ist ein Nachteil für den Auslaufsicherheitszustand,
der erforderlich ist, wenn man einem heftigen Blitzeinschlag ausgesetzt
ist.
- – Äußeres dickes
Drahtgewebe aus Bronzematerial, das das oben erwähnte dünne Drahtgewebe bis zu einem
Minimum von 50 mm an beiden Seiten der Reihen aus strukturellen
Befestigungsteilen (Schrauben/Nieten) überlappt. Diese Gewebe optimieren
das immer kritische Verhalten der Befestigungspunkte zwischen beiden
Verbundstoffen und der Hybridverbindungen, an denen das Verbundmaterial
am Metallmaterial befestigt ist. Dieses Verhalten, das besonders
kritisch an den strukturellen Verbindungen dieser Art von Materialien
ist, ergibt sich aus der Differenz der elektrischen Widerstände und
auf Grund der fehlenden elektrischen Kontakte zwischen den Elementen, die
in dem Befestigungsbereich selbst einbezogen sind und die eine hohe
Stromdichte hervorrufen können.
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Daher
führt die
fehlende elektrische Kontinuität
der Befestigungsteile zu einem Bedarf nach speziellem Schutz der
betreffenden Bereiche, indem die für solchen Zweck verfügbaren Elemente
optimiert werden. Das dicke Bronzedrahtgewebe, das das dünne Bronzedrahtgewebe
entlang einer Befestigungsreihe überlappt,
ermöglicht
einen Anstieg des äußeren Metallquerschnitts
und die Verbesserung der Verteilung des elektrischen Stroms entlang
der Befestigungsreihe. Dies wird verhindern, dass der Stromfluss
auf ein einzelnes Befestigungsteil zurück gedrängt wird, was eine hohe Stromdichte
verursacht und starke Strom-Potenzialunterschiede an den inneren
Oberflächen
zur Folge hat. Die Strom-Potenzialunterschiede könnten wiederum einen inneren elektrischen
Lichtbogen an der Struktur aufbauen (Funkenbildungszustand).
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Außerdem lässt die
Möglichkeit
zum wirksamen Verteilen des elektrischen Stroms an den Befestigungsreihen
die Vermeidung der Erscheinung von Wärmepunkten an der inneren Fläche der
Tankbeschichtung zu, die die Zündung
des Kraftstoffs bewirken.
- – Die Unterlegscheiben für die Kontaktierungsverbindung
sind das dritte Element, das beim umfassenden Schutz dieser Erfindung
vorgeschlagen wird, mit denen ein aus Verbundmaterial hergestellter
Kraftstofftank versehen wird. Die Unterlegscheiben machen es möglich, eine
Aufspeicherung des elektrischen Stroms an den kritischen Teilen
wie den Befestigungsteilen (Schrauben, Nieten) zu vermeiden, da
diese Elemente tatsächlich
zum Aufspeichern neigen. Der Befestigungsschaft ist zweifellos das
kritischste Teil. Der Befestigungsschaft bietet einen Weg für den elektrischen
Strom, um von der äußeren Oberfläche zur strukturellen
Oberfläche
und den Elementen im Kraftstofftank zu fließen. Die Kontaktierungs-Unterlegscheiben
machen es möglich,
zwei Umstände
zu nutzen, die an den strukturellen Verbindungen auftreten. Einerseits
ermöglichen
die Kontaktierungs-Unterlegscheiben die elektrische Verbindung zwischen
den äußeren Geweben
und den strukturellen inneren Elementen, vorausgesetzt, dass die
Elemente aus Metallmaterial sind und sich mit der metallischen Hauptstruktur
des Kraftstofftanks in Kontakt befinden. Dies definiert einen Weg,
um den entladenen Strom zu leiten und lässt eine Ableitung durch die
Metallstrukturen mit hoher Leitungskapazität zu. Sie verhindern, dass
der Blitzeinschlag Energie freisetzt, die eine strukturelle Beschädigung verursacht.
Andererseits gewährleistet
die Unterlegscheibe eine optimale Befestigung der Nieten/Schrauben
und stellt deutliche Vorteile bei der Montageinstallation bereit. Zusätzlich dazu
gewährleistet
der verringerte Spalt der erwähnten
Befestigungsteile ebenfalls einen guten elektrischen Kontakt und
senkt den elektrischen Widerstand an der Verbindung. Die schematische
Darstellung von 2 zeigt den hiermit gekennzeichneten
Mechanismus.
- – Schließlich die
Anforderung, eine Glasfaserbeschichtung auf die Kontaktfläche zwischen
der inneren Seite der Verbundbeschichtung mit niedriger Leitfähigkeit
(z. B. Kohlefaser) und den inneren Metallteilen zu legen. Die Glasfaserschicht
erfüllt
zwei technologische Ziele:
a) Die galvanische Inkompatibilität wird einerseits verhindert,
indem Materialien auf dem gleichen galvanischen Niveau installiert
werden und vermieden wird, dass die innere Metallstruktur korrodiert.
Diese Erscheinung würde
ein Risiko für
die Integrität
des vorgeschlagenen Schutzes und speziell für die mechanische Leistungsfähigkeit der
daraus resultierenden Struktur sein.
b) Die Glasfaserschicht,
die um minimal 25 mm an beiden Seiten der Oberfläche der Metallteile überlappt,
wird die Unterschiede der Potenzialebenen zwischen den Punkten vermeiden,
die durch Luft und/oder eine isolierende Fläche getrennt sind und die eine
Funkenbildung im Kraftstofftank verursachen können.
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Das
durch diese Erfindung aufgeworfene Problem unterlag bereits dem
Versuch einer früheren Lösung. Auf
diese Weise wird im Patent US-A-3 775 713 darauf hingewiesen, dass,
um die Bereiche zu schützen,
die dem Blitzeinschlag ausgesetzt sind, ein gewirktes Drahtgewebe
auf die äußere Oberfläche und
die organische Beschichtung, die auf dem oberen Abschnitt angebracht
ist, gelegt werden muss. Dieser Schutz bietet jedoch eine ungenügende Bedeckung
der Befestigungsteilköpfe
(Schrauben und/oder Nieten), wie in dem betreffenden Patent beschrieben
ist. Da die betrachtete Struktur aus Glasfasermaterial besteht und
daher ein nicht leitendes Material ist, wird die durch eine elektrische
Entladung oder einen Blitzeinschlag auf einen der Befestigungsteilköpfe verursachte
Beschädigung
eine schwere Beschädigung
der Montageinstallation hervorrufen.
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Das
Aluminiummaterial mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ist das Material zum
Schutz gegen allgemeine elektrische Entladungen oder Blitzeinschlägige, die
herkömmlich
verwendet wurden. Das Aluminiummaterial wird häufig durch Flammspritzen aufgebracht.
Es wird ein gewirktes Gewebe aus dem Material wie ein Bogen oder
ein Metallbogen-Belag verwendet. Dieses Verfahren arbeitet zufriedenstellend,
wenn die zu schützende
Struktur eine isolierende Struktur (Glasfaser oder Kevlar-Material) ist. Das Aluminium
ist jedoch nicht mit bestimmten Verbundmaterialien wie jenen kompatibel,
die aus Kohlefaser-Material
gefertigt sind. Diese Inkompatibilität basiert auf einem sehr unterschiedlichen
galvanischen Strom, der bewirkt, dass das Aluminium wesentliche Korrosionsprobleme
zeigt, die in die Wirksamkeit des angewandten Schutzes eingreifen.
Das isolierende Material des vorgeschlagenen Schutzes, der auf der Installation
von Aluminium besteht, ist keine gültige Option und verliert die
Möglichkeit,
das von einer elektrischen Entladung abgeleitete elektrische Niveau
zu verteilen.
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Eine
weitere Lösung
des aufgeworfenen Problems wird durch die Patentanmeldung WO-A-8 401
487 gebildet. Dieses Patent entwickelt ein System, um die Epoxid-
und Grafitfaser-Verbundstruktur zu
schützen,
die für
Luftfahrtzwecke eingesetzt wird. Die Verbundstruktur zeigt ein eingesetztes
Befestigungsteil. Die Kopffläche
des Struktur-Befestigungsteils ist zur äußeren Oberfläche/Seite
der Verbundstruktur ausgerichtet. Die integrierten Elemente der in
dieser Anmeldung gezeigten Ansatzlösung sind die folgenden: eine
Schicht aus mit Nickel plattiertem Grafitgewebe erstreckte sich über die
ganze Länge des
Teils des Verbundstoffs, wobei eine Nickelplattierung und schließlich eine
Schicht aus isolierendem Material auf jeden Befestigungsteilkopf
gelegt wurde. Dies bedeutet, dass eine vollständige Schutzschicht, die größtenteils
durch diverse Materialien aufgebaut ist, für die gesamte Struktur einschließlich der
Befestigungsteilköpfe
verfügbar
gemacht wurde, wobei damit ein beträchtliches Gewicht hergestellt
wurde. Wie bekannt ist, ist dieses Gewicht für Luftfahrt-Strukturen äußerst unerwünscht.
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Das
Patent E5-A-2 006 356 schlägt
die Installation von Isolationsmaterial zwischen einem Metallgewebe
und einer Verbundbeschichtung vor, wobei dieses Element auf ein
bestimmendes Element in der Philosophie hinausläuft, um ein strukturelles Schutzsystem
zu erhalten. Die Schutzphilosophie ist zur in dieser Erfindung vorgeschlagenen
Lösung
von Grund auf verschieden. Während
die im Patent ES-A-2 006 356 dargestellte Erfindung auf der Zentralisierung
des Hauptteils des elektrischen Stroms auf bestimmte Oberflächen der
Struktur mit hohen Wartungs- und Herstellungskosten basiert, wenn
die Flugzeugteile integriert werden, beabsichtigt die vorliegende
Erfindung die Verteilung des elektrischen Stroms durch Nutzung der
gesamten äußeren Strukturfläche und
die Hilfe bei ihrer Verteilung und Ableitung, so dass die Größenordnung
einer Beschädigung
minimal wird.
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Ein
Schutzsystem, das im Patent EP-A-O 685 389 vorgeschlagen wird, basiert
auf der Leitung des Stroms des größten Teils der elektrischen
Entladung zu bestimmten Stellen, an denen Materialien oder Metallbänder zu
diesem Zweck angeordnet wurden. Diese Materialien haben eine starke
Fähigkeit, hohe
Stromstär ken
abzuleiten. Die erwähnten
Metallbänder
bringen jedoch einen beträchtlichen
Anstieg des Gewichts an der Struktur mit sich, wobei es damit schwierig
ist, die Anordnung zu installieren. Wenn die Metallbänder zuvor
nicht ausgehärtet
sind, können häufige Verbindungsfehler
auftreten. Dies würde
zum einem Anstieg der notwendigen Wartungsvorgänge führen und würde es erforderlich machen,
Reparaturhandlungen auf Grund der bestehenden häufigen Oberflächenbeschädigung durchzuführen. Die
patentierte Lösung
würde die
Kosten beträchtlich
ansteigen lassen. Die Nutzung des in dieser Erfindung erwähnten Metallgewebes
wird nicht nur als einfach eingeschätzt, sondern trägt auch
zu einer bemerkenswerten Verbesserung des Schutzniveaus bei, da das
Gewebe eine bessere Verteilung des Blitzstroms zulässt und
die strukturelle Unversehrtheit im Fall eines Blitzeinschlags geschützt wird.
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Das
Patent EP-A-O 685 389 bietet keine Parameter in Verbindung mit dem
elektrischen Entladungsniveau, mit dem das patentierte System erprobt
wurde. Dies wurde für
jeden Abschnitt ohne Darstellung in Betracht gezogen, wobei daher
die Bedingungen anhand der ausgeführten Tests berücksichtigt
wurden. Werte wie A.I. (integral action für Integralverhalten), die eine
Bewertung der Beschädigung
zulassen, die an der gegen einen möglichen Blitzeinschlag zu schützenden
Struktur verursacht wurden, werden bei der Beschreibung des Patents EP-A-O
685 389 nicht gezeigt. Die Wirksamkeit des erfundenen Schutzsystems
wird außerordentlich
von den Form-/Abmessungseigenschaften der vorgeschlagenen Metallbänder abhängen. Dies
ist der Punkt, an dem der größte Teil
des Schutzes, der der patentierten Lösung gewährt wird, unterstützt werden möchte.
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Das
Patent EP-A-O 248 122 zeigt eine überholte Lösung. Diese Lösungen scheinen
einen zweifelhaften ökonomischen
Nutzen angesichts der Installation und Fertigung der gezeigten Elemente
zu haben. Daher wird die elektrische Kontinuität durch das Installieren zusätzlicher
Elemente erreicht, die "Leitungshülsen" genannt werden.
Diese Elemente machen die Anordnung kompliziert und erhöhen die Kosten übermäßig. Sie
erhöhen
das Gewicht und fügen
ein ernsthaftes Risiko zur Schichtablösung und Beschädigung der
Verbundstruktur hinzu. Daher wurden die mechanischen Eigenschaften
einer solchen resultierenden Struktur schlechter, wobei man berücksichtigt,
dass das Haupt- und
letzte Ziel auf die Unversehrtheit der mechanischen Struktur gerichtet ist.
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Das
im Patent EP-A-O 248 122 vorgeschlagene Kupfergewebe zeigt ein schlechtes
Verhalten, wenn man sich den äußeren Korrosionsbedingungen zuwendet.
Obwohl die bessere Leitfähigkeit
von Kupfer gegenüber
Bronze wohl bekannt ist, zeigte beim Schätzen des gealterten Kupfergewebes,
wie es durch das Patent vorgeschlagen wird, der Blitzeinschlag-Test
ein Verhalten des Kupfergewebes, das schlechter war als das des
Bronzegewebes. Bei den gleichen Testbedingungen kann ein Kupfergewebe die
doppelte Temperatur des Bronzegewebes erreichen, wobei das Ausmaß der abgelösten Oberfläche bei
Kupfergewebe auf das fünffache
zunimmt. Die Möglichkeit,
Wärmepunkte
zu erhalten, und damit die Wahrscheinlichkeit, dass der Kraftstoff
entzündet werden
kann, ist bei einem Schutz mit den Kupfergewebe größer als
bei einem Schutz mit dem Bronzegewebe, das diese Bedingungen verwendet.
Die Unversehrtheit der Struktur kann bemerkenswert beschädigt werden,
wenn man die hohe Wahrscheinlichkeit betrachtet, dass eine Schichtablösung auftritt, so
dass Reparaturhandlungen an der zu schützenden Struktur zunehmen müssen.
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Desgleichen
sind die Bedingungen bei der für
das Patent EP-A-0
248 122 beschriebenen Lösung,
mit denen die Struktur getestet wurde, abhängig von der unterstellten
Zonenklassifizierung nicht enthalten. Der in dieser Erfindung vorgeschlagene Schutz
basiert hauptsächlich
auf Tests, die die betreffenden technischen Parameter beinhalten,
wie sie für die
schwerste Probe definiert sind. Die erwähnten Tests werden aus einem
direkten Blitzeinschlag auf die horizontalen Flügelspitzen der Stabilisatoren
bestehen, die leicht entzündbares
Material oder Dämpfe
wie zum Beispiel Flugzeug-Kraftstoff (Zone 1:200 kA und Al = 2,106 A2.s.) enthalten.
Wenn die entsprechenden Parameter verwendet werden, ist die Gültigkeit
und Zertifizierung der Konfiguration zulässig. Die besagten Parameter
werden wiederum von der Wahrscheinlichkeit eines direkten Blitzeinschlags (auf
bestimmte Zonen) abhängen.
Die Gültigkeit
der bereits patentierten Lösungen
zeigt keine ausreichende Anregung, um die Lösungswirksamkeit im Vergleich
mit dem Anforderungsniveau durch die JAA/FAA-Behörde zu gewährleisten. Dieses Grundelement
wird die erforderliche Glaubwürdigkeit
für den in
den jeweiligen Patenten beschriebenen Schutz bereitstellen.
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Das
vorgeschlagene System in dieser Erfindung führt zu einer großen Vereinfachung
beim Installieren. Es bietet niedrige Wartungskosten im Vergleich
zu anderen Lösungen,
die bereits patentiert und oben beschrieben wurden. Die zuvor erwähnten Lösungen bieten
kompliziertere Konfigurationen und sind mit einer Zunahme des Gewichts,
geringer Wartungsfähigkeit
und hohen Kosten verbunden. Sie bieten keine Verbesserungen für den Schutz
der Struktur gegen Blitzeinschlag. Aus diesem Grund stützt die hiermit
beschriebene Lösung
der Erfindung ihre Wirksamkeit auf die Erfahrung, die in einer langen Praxis,
nicht nur bei der Herstellung und Montageinstallation der Verbundmaterialien
und der Metallmaterialien, sondern auch bei intensiver Forschungsarbeit
gewonnen wurde, die durch mehrfache Tests, die es ermöglichen,
die Konfiguration der befestigten Zonen beim Test für elektrische
Entladungen zu optimieren und ein gutes Verhalten zu bewirken, ausgeführt wurde.
Außerdem
wird die erwähnte
Lösung
ein System zum strukturellen Schutz gegen Blitzeinschlag bieten.
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Der
Anmelder hat eine intensive Forschungsarbeit entwickelt, um ein
zufriedenstellendes und kostengünstigeres
System zu erhalten. Außerdem
wurde ein System ausgearbeitet, das leichter ist als jene Systeme,
die man zuvor erhalten hat. Schließlich wurden verschiedene Schutzsysteme, wie
sie in den spanischen Patenten ES-A-2.006 356 und ES-A-2 008 432
enthalten sind, gewonnen. Als eine Entwicklung des ersten der erwähnten Patente wurde
ein System vorgeschlagen, das die Anwendbarkeit und Einfachheit
zur Herstellung liefert. Diese Anmeldung möchte dieses sehr einfache System
zeigen.
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Diese
Erfindung hat außerdem
ein Verfahren zum Erzeugen des Blitzeinschlag-Schutzsystems entwickelt,
wie es oben beschrieben ist. Es umfasst die folgenden Schritte:
- – Herstellung
der äußeren Tank-Verbundbeschichtung,
wenn erforderlich zusammen mit dem Auflegen der Kohlefaser-Materialschichten,
bis die vorgegebenen Dicke erreicht ist, wobei in diesem gleichen
Herstellungsverfahren die Verbundschichten aufgelegt und gleichzeitig
zusätzlich
zu den zuvor erwähnten
Verbundschichten einem Härtezyklus
unterzogen werden.
- – Installation
des dünnen
Bronzedraht-Gewebes auf die äußere Oberfläche der
Tankbeschichtung, die den ganzen äußeren Bereich bedeckt.
- – Installation
des dicken Bronzedraht-Gewebes auf die Reihe der Befestigungsteile,
das das vorherige Gewebe in einem Abstand von nicht weniger als
50 mm zu beiden Seiten der Reihe der Befestigungsteile und an der äußeren Seite
der Tankbeschichtung überlappt.
- – Installation
einer Glasfaserschicht oder eines beliebigen anderen Isolationsmaterials
auf die innere Oberfläche
der Haut und Bedecken des erforderlichen Abstands, um den Kontakt
mit dem inneren, auf die Tankbeschichtung zu befestigenden Teil
zu verhindern.
- – Anordnen
des zu befestigenden inneren Teils und Bohren oder entsprechendes
Ansenken in die äußere Oberfläche der
Tankbeschichtung.
- – Installation
der Unterlegscheiben (wenn das innere Teil aus Metallmaterial hergestellt
ist) und anschließende
Installation des Befestigungsteils (Niete oder Schraube) mit der
entsprechenden Unterlegscheibe und Schraubenmutter, wenn zutreffend.
- – Auftragen
einer Schicht der organischen Deckschicht auf das Äußere (Farbmaterial).
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ANWENDBARKEIT
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung wird als ein System hergestellt, das den Schutz einer
Struktur gegen Blitzeinschlag ermöglicht. Die Erfindung basiert
auf ihrem Vermögen,
eine Verbesserung bezüglich
der Wartungsfähigkeit,
der Gewichtseinsparungen, der Kostenreduzierung und der Einfachheit
der Herstellung zu bewirken. Die Wirksamkeit der angemeldeten Lösung wurde
durch Tests überprüft, die
auf festen Parametern und Anforderungen der Zertifizierungsbehörden (JAA)
beruhen.
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Die
Montageinstallation der Bauteile, die im Schutzsystem integriert
sind, wird als eine große
Vereinfachung empfunden werden, da das Gewebematerial zur gleichen
Zeit installiert werden kann, in der der Härtezyklus an der äußeren Tankbeschichtung durchgeführt wird.
Damit kann das Herstellungssystem der vorgeschlagenen Erfindung
enorm vereinfacht werden.
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Die
einfache Verlegung von einer Glasfaserschicht zwischen der äußeren Haut
und dem zu befestigenden inneren Teil wird die Verwendung sowohl von
Verbund- als auch Metallmaterialien für dieses endgültige Element
ermöglichen,
das ohne irgendein Risiko von Korrosion oder Ausfall durch Funkenbildung
erzeugt wird. Die Wirksamkeit der Verbindung wird hinsichtlich des
strukturellen Schutzes ebenfalls aufrechterhalten.
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Die
Nutzung von sowohl einem dünnen Drahtgewebe
als auch einem dicken Drahtgewebe lässt eine einfache Herstellungslösung für kritische Zonen
zu. Es ist der Versuch, diese Zonen vor einer Funkenbildung zu schützen, die
zu einer Zündung des
Kraftstoffs führen
kann. Das dicke Drahtgewebe wird das dünne Drahtgewebe überlappen.
Die Absicht, zwei Arten von Geweben zu nutzen, ist es, den Schutz
der meisten kritischen Bereiche zu erhöhen, ohne die umfassende Wirksamkeit
der vorgeschlagenen Konfiguration preiszugeben. Daher wird die Verwendung
von zusätzlichen
Elementen, die für
andere patentierte Lösungen
notwendig ist, auf diese Weise vermieden, da deren Installation
schwer durchzuführen
ist, wobei sie außerdem
vom Standpunkt der Montage und der Wartung kostspielig sind. Die
Hinzufügung
von umfassendem Gewicht für
die resultierende Konfiguration wird nicht vorzuziehen sein.
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Das
durch diese Erfindung vorgeschlagene Bronzegewebe zeigt gute Eigenschaften
zur Wartungsfähigkeit
und Haltbarkeit, die durch Tests garantiert werden, die über die
Zeit durchgeführt
wurden, wobei keine spezielle Beschichtung für die Unversehrtheit notwendig
sein wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Einzelheiten dieser Erfindung und Bezugnahmen zu den beigefügten Zeichnungen
werden unten beschrieben: Es zeigen:
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1 wie
zuvor erwähnt,
die zwei wesentlichen Elemente (Fasermaterial und Matrix) für eine Struktur,
die durch Auflegen von Schichten aus Verbundstoff aufgebaut ist;
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2 wie
ebenfalls zuvor erwähnt,
schematisch den Verteilungsmechanismus des elektrischen Stroms,
wenn der durch einen Blitzeinschlag erzeugt wird;
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3 die
Schnittansicht eines Teils der Verbundbeschichtungs-Struktur eines
Kraftstofftanks.
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BESCHREIBUNG
EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Um
die Erfindung zu erläutern,
aber in keiner Weise einzuschränken,
wird ein allgemein repräsentatives
Beispiel des dargestellten Systems unten beschrieben: Die dargestellte,
ausführliche
Schnittzeichnung (siehe 3) wird dabei hilfreich sein, eine äußere Zone
darzustellen, die der Haut (I) eines aus einem Verbundstoff (Kohlefaser
+ Epoxid-Matrix) hergestellten Kraftstofftanks entspricht. Diese
Zone wird mit dem inneren Metallteil (II) (inneres Strukturelement
des Tanks) durch ein Befestigungsteil (III) (z. B. eine Titan-Senkkopfschraube
oder -niete) verbunden. Der Befestigungsschaft wird an der Innenseite durch
eine Unterlegscheibe (A) befestigt, die entweder aus Isoliermaterial,
wenn das innere Teil, an dem es befestigt wird, aus Verbundstoff
hergestellt ist, oder Metallmaterial besteht, wenn das innere Teil auch
aus Metallmaterial hergestellt ist. Es wird außerdem eine Schraubenmutter
(T) verwendet, um den Zweck der Befestigung zu gewährleisten.
Die folgenden Elemente werden ebenfalls zum Schutz des definierten
Systems verwendet.
- – Ein dünnes Kupfergewebe (1),
das die äußere Oberfläche der
Haut (I) bedeckt. Das dünne
Kupfergewebe wird aufgelegt, indem es zusammen mit der Haut aushärtet.
- – Ein
dickes Kupfergewebe (2), das das dünne Kupfergewebe an beiden
Seiten einer Reihe von Befestigungsteilen (III) um ein Minimum von
50 mm auf jeder Seite überlappt.
Das dicke Kupfergewebe wird die Reihe von Befestigungsteilen bedecken
und muss gleichzeitig mit der äußeren Haut
(I) aushärten,
die aus Verbundmaterial besteht. Nach diesem Verfahren wird das
Bohren und Ansenken für
die Installation von Befestigungsteilen (III) ausgeführt, das
die Befestigung der äußeren Haut
(I) an das innere Teil (II) ermöglichen
wird.
- – Es
wird ein angesenkter Metalldichtungsring (3) aus zum Beispiel
Titan verwendet. Der Dichtungsring reguliert den Spalt zwischen
dem Befestigungsteil und der Kohlefaser-Struktur und stellt einen
elektrischen Kontakt der äußeren Gewebe mit
der metallischen Unterstruktur und/oder den metallischen inneren
Strukturelementen her, die für
den Zweck vorgesehen sind. Die betreffende Unterlegscheibe wird
aus einem Material hergestellt sein, das mit der Faser und den Befestigungsmaterialien
kompatibel ist. Sie wird außerdem
eine hohe elektrische Leitfähigkeit
haben. Die Installation der Unterlegscheibe wird nicht für die ganze
Reihe von Befestigungsteilen, sondern nur annähernd alle 200 mm notwendig
sein. Der besagte Abstand wird die Optimierung bezüglich der
Herstellung, des Gewichts und der Kosten gewährleisten, ohne in die Wirksamkeit
des Schutzes einzugreifen.
- – Eine
Schicht aus Glasfaser (F.V.), die auf die Kontaktfläche zwischen
der Haut und dem inneren strukturellen Metallelement gelegt wird.
- – Eine
Unterlegscheibe (A) wird die Befestigung der Teile (I) und (II)
durch das Befestigungsteil (III) ermöglichen und die Befestigung
vor einem möglichen
Funkenbildungszustand im Inneren als Ergebnis des elektrischen Potenzialunterschied schützen, der
durch die Ungleichheit der spezifischen Widerstände unter den diversen Materialien
verursacht wird. Das Element (A) wird aus isolierendem Glasfasermaterial
sein, wenn das innere Teil (II) aus Verbundmaterial hergestellt
wird. Im Gegensatz dazu wird das besagte Element aus Metallmaterial
sein, wenn das innere Teil auch aus Metallmaterial hergestellt wird.
Die elektrische Kontinuität
muss durch die Herstellung eines guten elektrischen Kontaktes gewährleistet
sein.
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Schließlich wird
die Anordnung durch eine nicht leitende organische Deckschicht (A.O.)
auf der äußeren Haut
(I) wie zum Beispiel Farbmaterial bedeckt.
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Diese
Beschreibung wurde mit Bezug darauf dargelegt, als was das bevorzugte
Ausführungsbeispiel
der Erfindung gegenwärtig
betrachtet wird. Obwohl natürlich
jede Modifikation, die als sachdienlich angesehen wird, dieser Beschreibung
hinzugefügt werden
kann, vorausgesetzt, dass sie im Umfang der folgenden Ansprüche berichtet
wird, können
die besagten Modifikationen die Verwendung unterschiedlicher Materialien,
unterschiedlicher Vorkehrungen für die
beschriebenen Bauteile des Schutzsystems und dergleichen beinhalten.