DE102012002352A1

DE102012002352A1 - Flugzeug, insbesondere Passagierflugzeug, mit einem Rumpf aus Metallwerkstoffen und Faserverbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE102012002352A1
Application number: DE201210002352
Authority: DE
Inventors: Boris Kolesnikov; Christian Hühne; Johannes Wolff; Axel Fink; Jörg Nickel; Steffen Niemann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2013-08-08
Anticipated expiration: 2032-02-09
Also published as: DE102012002352B4

Abstract

Ein Flugzeug, insbesondere ein Passagierflugzeug (5), besitzt einen Rumpf (10), Flügel (30) und Öffnungen im Rumpf (10). Darüber hinaus sind Ankopplungsstellen (31, 41, 51) für zumindest die Flügel (30) am Rumpf (10) vorgesehen. Der Rumpf (10) ist zumindest aus Metallwerkstoffen und Faserverbundwerkstoffen aufgebaut. Der Rumpf ist in zumindest drei Längsabschnitte (11, 12, 13) unterteilt. Der vordere Längsabschnitt nimmt den Cockpitbereich (11) auf. Er besteht im Wesentlichen aus Metallwerkstoffen. Der hintere Längsabschnitt nimmt den Heckrumpfbereich (13) des Rumpfes (10) auf und besteht im Wesentlichen aus Metallwerkstoffen. Der mittlere Längsabschnitt nimmt den mittleren Bereich (12) des Rumpfes (10) zwischen dem Cockpitbereich (11) und dem Heckbereich (13) auf und besteht im Wesentlich aus Faserverbundwerkstoffen. Die Länge des mittleren Rumpfbereiches (12) aus Faserverbundwerkstoff beträgt zumindest 50% der Gesamtlänge des Rumpfes (10) des Flugzeuges. Durch die Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe in verschiedenen Längsabschnitten des Flugzeugs wird es möglich, die größeren Öffnungen und Ausschnitte in Längsabschnitten aus Metallwerkstoffen anzuordnen und in den Längsabschnitten, die aus Faserverbundwerkstoffen aufgebaut sind, lediglich kleinere und regelmäßige Öffnungen vorzusehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Flugzeug insbesondere Passagierflugzeug, mit einem Rumpf, mit Flügeln und mit Öffnungen im Rumpf sowie mit Ankopplungsstellen für zumindest die Flügel am Rumpf, wobei der Rumpf aus zumindest Metallwerkstoffen und Faserverbundwerkstoffen aufgebaut ist.
Im Flugzeugbau werden sowohl Metallwerkstoffe als auch Faserverbundwerkstoffe eingesetzt. Insbesondere kleinere Flugzeuge werden zunehmend vollständig aus Faserverbundwerkstoffen, insbesondere aus CFK-Kunststoffen hergestellt.
Faserverbundwerkstoffe haben den Vorteil, ein geringeres Gewicht zu besitzen und damit die Leichtbaukriterien zu unterstützen.
Man nimmt daher die mit dem Einsatz von Faserverbundwerkstoffen entstehenden Einschränkungen und Nachteile in Kauf.
So ist es beispielsweise erforderlich, die Strukturen der Flugzeugrümpfe für die erforderlichen großen Ausschnitte vorzubereiten, die für eine Vielzahl von Öffnungen im Rumpf erforderlich sind. Diese Öffnungen dienen beispielweise dazu, Passagiertüren und Frachttore aufzunehmen, damit Passagiere ein- und aussteigen können und Fracht ein- und ausgeladen werden kann.
Weitere Ausschnitte sind erforderlich, um die Haupt- und Bugfahrwerke ein- und ausfahren zu können, die für den Start und die Landung eines Flugzeuges unerlässlich sind.
Auch Ausschnitte für Fenster und Notausstiege für die Passagiere werden benötigt. Es wäre den Passagieren eines Flugzeuges nicht vermittelbar, keine Fenster in den Rümpfen vorzusehen.
Darüber hinaus werden Ankopplungsstellen an den Rumpf benötigt, an denen etwa die Flügel, Seitenleitwerke oder Triebwerke angekoppelt werden können. Auch in diesen Ankopplungsstellen muss die Rumpfstruktur modifiziert werden, um eine stabile Ankopplung gewährleisten zu können. Diese Öffnungen und Ankopplungsstellen stellen mithin Störungen der regelmäßigen Struktur eines Rumpfes des Flugzeuges dar.
Es gibt bereits Vorschläge, die Störungen durch eine reduzierte Anzahl insbesondere der größeren Ausschnitte in den tragenden und druckbeaufschlagten Rumpfstrukturen möglichst klein zu halten. Solche Vorschläge sind beispielsweise in der DE 101 45 272 B4 und der DE 101 45 276 B4 beschrieben.
Zu berücksichtigen ist, dass diese Rümpfe tragende Strukturen sind und sie auch mit Druck beaufschlagt werden.
Als Ausgleich für diese gerade im Bereich der Öffnungen und Ankopplungsstellen erhöhten Beanspruchungen werden verstärkte Umgebungsstrukturen benötigt, beispielsweise verstärkte Spanten oder Stringer, wie sie etwa in der EP 2 374 713 A2 beschrieben sind.
Herkömmlich ist es erforderlich, das Hautfeld um den Bereich der Öffnungen, also in dem Bereich um den jeweiligen Ausschnitt im Rumpf, mit starken Aufdickungen zu versehen, wobei die größten Aufdickungen und die größten Aufdickungsflächen in den Eckbereichen der Ausschnitte konzentriert werden. Diese Aufdickungen können die Stärke des Hautfeldes um bis zum Faktor 4 oder sogar mehr verstärken.
Die Umgebungsstruktur insbesondere der größeren Ausschnitte und Öffnungen im Rumpf wird nämlich komplex beansprucht. Verschiedene Kräfte sind her zu berücksichtigen, etwa Querkräfte, Torsions- und Biegemomente. Außerdem werden auch durch den Innendruck Kräfte ausgeübt. Der jeweilige Ausschnitt unterbricht darüber hinaus die Stringer und Spanten der regelmäßigen Rumpfstruktur. Daher werden zusätzliche Versteifungen durch eine zusätzliche sogenannte Umgebungsstruktur benötigt. Die Lasten in den unterbrochenen Stringern und Spanten müssen mithin umgeleitet werden. Die erwähnten Beanspruchungen in Kombination mit diesen Lastumleitungen rufen in der Haut lokale Spannungsüberhöhungen hervor.
Insbesondere die Haut in den Eckbereichen viereckiger Ausschnitte unterliegt durch jede der oben genannten Beanspruchungsarten höchsten Spannungsüberhöhungen. Gerade in den Eckbereichen sind mithin starke lokale Hautaufdickungen angeordnet. Die Stringer und Spanten weisen in diesen Bereichen aufgrund der unterschiedlichen Hautdicken meistens mehrstufige Sprünge von Gurten auf, wodurch lokale Exzentrizitäten und daraus resultierende lokale zusätzliche Biegebeanspruchungen von Versteifungselementen hervorgerufen werden. Außerdem kommt es zu Toleranzproblemen beim Zusammenbau der einzelnen Elemente.
Der an sich erwünschte Einsatz von Faserverbundwerkstoffen in Form von CFK-Werkstoffen für die Rümpfe von großen Passagierflugzeugen macht diese Problematik der Ausschnitte und Öffnungen im Rumpf noch dramatischer. Faserverbundwerkstoffe besitzen gegenläufige Eigenschaften für die Zug- und Druckbeanspruchung einerseits sowie für die Scher- und Lochleibungsbeanspruchung andererseits in Abhängigkeit von Faserorientierungen und vom Laminataufbau. Das bedeutet, dass bei höheren Zug- und Druckfestigkeiten beziehungsweise einem 0°-Faseranteil von Faserverbundwerkstoffen die Scher- und Lochleibungsfestigkeiten besonders gering sind, und umgekehrt.
Die Häute der Umgebungsstrukturen besonders in den Eckbereichen von viereckigen Ausschnitten unterliegen jedoch gleichzeitig hohen Zug- und Druckbeanspruchungen und auch Scherbeanspruchungen. Dadurch werden die strukturmechanischen Gewichtsvorteile bei einem Einsatz von Faserverbundwerkstoffen sehr stark reduziert und beeinträchtigt.
Spannungskonzentrationsfaktoren für die Ausschnittbereiche von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen hängen auch vom Laminataufbau ab. Je größer der Anteil an 0°-Faserlagen in einem Bauteil mit einem Ausschnitt ist, desto höher sind die Spannungskonzentrationsfaktoren bei Zug-, Druck- und Scherbeanspruchungen. Das reduziert wiederum die strukturmechanischen Gewichtsvorteile des Einsatzes von Faserverbundwerkstoffen.
Beim Zusammenbau werden lokale Biegebeanspruchungen und hohe interlaminare Scherbeanspruchungen in den stufigen Springer- und Spantengurten infolge der nicht idealen Toleranzen in Häuten mit lokalen Aufdickungen hervorgerufen. Das beeinträchtigt den Nutzen der Faserverbundwerkstoffe mit einer polymeren Matrix, weil die interlaminare Scherfestigkeit von Faserverbundwerkstoffen sehr niedrig ist.
Trotz des Einsatzes von Faserverbundwerkstoffen in den entsprechenden Bauteilen entstehen somit höhere Gewichte und höhere Kosten, was den Zielen des Leichtbaus und auch der Wirtschaftlichkeit zuwider läuft.
Ansätze wie etwa in der DE 101 45 276 B4 versuchen diese Probleme durch nicht druckbeaufschlagte und nicht mittragende Frachtraumstrukturen zu beheben, was jedoch durch diesen Kompromiss die Rumpfbauhöhe deutlich reduziert, was ebenfalls nicht erwünscht ist.
Die Alternative besteht darin, den Rumpf des Flugzeuges aus Metallwerkstoffen aufzubauen. Dann entstehen diese Schwierigkeiten nicht, dafür ein insgesamt deutlich erhöhtes Gewicht. Höhere Gewichte beziehungsweise Massen des Rumpfes erfordern größere Triebwerke für das Flugzeug und führen zu einem höheren Verbrauch an Treibstoff. Beides ist unerwünscht.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, doch eine Möglichkeit zu finden, Faserverbundwerkstoffe in den Rümpfen von Flugzeugen einzusetzen und dabei einen Weg zu finden, die geschilderten Probleme zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Flugzeug mittels der Erfindung dadurch gelöst, dass der Rumpf in zumindest drei Längsabschnitte unterteilt ist, dass der vordere Längsabschnitt den Cockpitbereich aufnimmt und im Wesentlichen aus Metallwerkstoffen besteht, dass der hintere Längsabschnitt den Heckrumpfbereich des Rumpfes aufnimmt und im Wesentlichen aus Metallwerkstoffen besteht, dass der mittlere Längsabschnitt den mittleren Bereich des Rumpfes zwischen dem Cockpitbereich und dem Heckrumpfbereich aufnimmt und im Wesentlichen aus Faserverbundwerkstoffen besteht, und dass die Länge des mittleren Rumpfbereichs aus Faserverbundwerkstoff zumindest 50% der Gesamtlänge des Rumpfes des Flugzeuges beträgt.
Die Erfindung macht Gebrauch von der Erkenntnis, dass ein Einsatz der beiden wichtigsten Werkstoffe für den Flugzeugbau, nämlich der von Metallwerkstoffen einerseits und Faserverbundwerkstoffen anderseits, einander nicht gegenseitig ausschließt. Beide Werkstoffe haben sehr unterschiedliche Eigenschaften und ihre Vorteile können in unterschiedlichen Bereichen eines Flugzeugrumpfes unterschiedliche Effekte haben, was die Erfindung erstmals erkennt und mit Nutzen umsetzt.
In Einzelfällen hat man zu Versuchszwecken das existierende metallische Cockpit eines herkömmlichen metallischen Flugzeuges vom Typ Dornier 328 JET verwendet, um eine aus Faserverbundwerkstoffen hergestellte Rumpfstruktur für ein Transportflugzeug vom Typ Lockheed Martin ACCA beschleunigt flugfähig auszugestalten. Ein Bericht hierüber findet sich in der Flug Revue, August 2009, Seite 14. Diese vorübergehende und für Versuchszwecke zusammengestellte Kombination ist aus dem Wunsch heraus entstanden, nicht auf die Fertigstellung des Cockpitbereiches aus Faserverbundwerkstoffen warten zu müssen, um Versuchsflüge durchführen zu können. Diese Versuchszusammenstellung mit einem metallischen, aus einem herkömmlichen Flugzeug stammenden Cockpit weist weder die Vorteile der vorliegenden Erfindung auf, noch ist sie zur Lösung der gestellten Aufgabe gedacht oder geeignet. Soweit bekannt, ist in der Rumpfstruktur ein großer Ausschnitt für eine Rampe als Frachttor im Heckrumpfbereich vorgesehen, der bei diesen Testflugzeugen wie erwähnt aus Faserverbundwerkstoffen aufgebaut ist. Die Flügel setzen auch in einem Bereich aus Faserverbundwerkstoffen an. Einen Hinweis für eine darüber hinaus gehende Nutzung der Zusammenstellung gibt es nicht.
Die erfindungsgemäße Konzeption sieht nun bevorzugt vor, dass alle Öffnungen und Ausschnitte mit relativ großen Abmessungen in Längsabschnitten eines Rumpfes angeordnet werden, die im Wesentlichen aus einem Metallwerkstoff aufgebaut sind. Große Ausschnitte erfordern etwa die Passagiertüren und Frachttore, ebenso auch die Bereiche, in denen das Hauptfahrwerk ein- und ausgefahren werden kann. Erhebliche Strukturveränderungen werden auch in den Anbindungsstellen für die Flugzeugflügel, für Triebwerke und gegebenenfalls für Seitenleitwerke erforderlich.
Konsequent werden in der Erfindung bevorzugt gerade diese Ausschnitte, Öffnungen und Anbindungsstellen in Längsabschnitten mit Metallwerkstoffen angeordnet. Da die Zahl dieser Öffnungen vergleichsweise gering ist, werden die entsprechenden Öffnungen und Ankopplungsstellen im Cockpitbereich und im Heckrumpfbereich konzentriert.
Kleinere Ausschnitte werden für die Fenster benötigt und vergleichsweise kleine Öffnungen auch für die Notausstiege, auf die natürlich nicht verzichtet werden kann.
Diese kleineren Öffnungen werden im mittleren Rumpfbereich zugelassen. Dieser mittlere Rumpfbereich wird aus Faserverbundwerkstoffen aufgebaut. Natürlich führen auch die Fenster zu lokalen Aufdickungen, diese sind aber deutlich geringer als die für die großen Öffnungen.
Die erfindungsgemäße Dreiteilung in einen Cockpitbereich aus Metallwerkstoffen, einen mittleren Rumpfbereich aus Faserverbundwerkstoffen und einen Heckrumpfbereich weder aus Metallwerkstoffen ermöglicht es nun, die vorteilhaften Effekte beider Werkstoffe zu nutzen. Große Öffnungen und Ausschnitte befinden sich also in Bereichen mit Metallwerkstoffen, die keine einander zuwiderlaufende Eigenschaften hinsichtlich der Druck- und Zugfestigkeit einerseits und der Scher- und Lochleibungsfestigkeiten andererseits aufweisen.
Der wesentlich längere Längsabschnitt des mittleren Rumpfbereichs besitzt dagegen eine fast regelmäßige Struktur ohne größere Ausschnitte. Dieser Längsabschnitt wird daher nicht aus einem Metallwerkstoff, sondern aus Faserverbundwerkstoff ausgeführt. Hier können die gesamten Vorteile der Faserverbundwerkstoffe für den Flugzeugbau genutzt werden. Da hier eine weit regelmäßigere Struktur ohne größere Ausschnitte vorliegt kann insbesondere das geringere Gewicht der Faserverbundwerkstoffe zum Tragen kommen. Für diesen besonders großen Flächenbereich des Flugzeugrumpfes fallen nun auch die geringeren Materialkosten des Werkstoffes deutlich in der wirtschaftlichen Betrachtungsweise auf.
Die Anordnung der verschiedenen Ausschnitte und Öffnungen wird so gewählt, dass der mittlere Rumpfbereich zumindest 50% der Längserstreckung des gesamten Rumpfes einnimmt, was sich als besonders vorteilhafter Kompromiss der verschiedenen Eigenschaften ergibt.
Es zeigt sich, dass sich auch der Fahrwerkschacht für das Bugfahrwerk zweckmäßig im Cockpitbereich anbringen lässt, wovon dann auch in einer weiter vorteilhaften Ausführungsform Gebrauch gemacht wird.
Weitere Verbesserungen werden dadurch möglich, dass die Frachttore auf beiden Seiten des Flugzeuges unterhalb der vorderen Passagiertüren angeordnet sind. Sie sind somit beide in dem Bereich aus Metallwerkstoffen angeordnet und ermöglichen gleichwohl eine gleichzeitige Be- oder Entladung des Flugzeuges und ein Besteigen oder Aussteigen durch die Passagiere.
Weitere Vorteile lassen sich dadurch erzielen, dass das Flugzeug mit vorwärts gepfeilten Flügeln ausgestattet ist. Dies erleichtert die Anordnung der Anbringungsstellen der Flügel im Heckrumpfbereich. Grundsätzlich ist das Anordnen von vorwärts gepfeilten Flügeln im Heckrumpfbereich der Flugzeuge zu ganz anderen Zwecken schon aus der US 7,900,865 B2 bekannt, die Anordnung als solche erweist sich aber gerade im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung als besonders zweckmäßig.
Interessant ist auch eine Ausführungsform, die mit einer Hochdeckeranordnung für die Flügel arbeitet. Dabei werden zweckmäßig die Ankopplungsstellen für die Flügel über den hinteren Passagiertüren angeordnet.
Mit dieser Ausführungsform werden die hinteren Passagiertüren und die Ankopplungsstellen für die Flügel geschickt im gemeinsamen, aus Metallwerkstoffen bestehenden Heckrumpfbereich angeordnet und zugleich stören die Benutzung der Passagiertüren zum Ein- und Aussteigen und die Anordnung der Flügel sich nicht gegenseitig. Gerade bei dieser Ausführungsform wird nun der Anteil des Rumpfbereiches mit der regelmäßigen Faserverbundstruktur noch größer; der mittlere Rumpfbereich kann einen noch größeren Anteil der Längserstreckung des gesamten Rumpfes des Flugzeuges einnehmen.
Interessant ist auch die Anordnung eines Höhenleitwerkes in Form einer vorwärts gepfeilten Canard-Konfiguration im Cockpitbereich. Gerade in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden so die Höhenleitwerke auch wiederum in einem Längsabschnitt des Rumpfes am Rumpf angebunden, der aus einem Metallwerkstoff besteht, trotz der ungewöhnlichen Anordnung der Höhenleitwerke im Vergleich zu den üblicherweise heute zumeist eingesetzten Verkehrsflugzeugen.
Die vorwärts gepfeilte Canard-Konfiguration im Cockpitbereich gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist gerade in Zusammenhang mit der Erfindung auch deutlich günstiger, als die rückwärts gepfeilte Canard-Konfiguration der Höhenleitwerke aus der oben erwähnten US 7,900,865 B2 , da durch die vorwärts gepfeilte Canard-Konfiguration eine günstigere Möglichkeit für die Anordnung der großen Ausschnitte für die Passagiertüren und die Frachttore möglich wird.
Weitere bevorzugte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben und gehen darüber hinaus aus der folgenden Figurenbeschreibung und den Zeichnungen hervor.
Im Folgenden werden anhand der Zeichnung einige Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Passagierflugzeuges gemäß der Erfindung;
2 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Passagierflugzeuges gemäß der Erfindung;
3 eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines Passagierflugzeuges gemäß der Erfindung; und
4 eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform eines Passagierflugzeuges gemäß der Erfindung.
In den 1 bis 4 sind jeweils in Seitenansicht verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Passagierflugzeugen in Seitenansicht schematisch dargestellt. Es sind nicht alle Einzelheiten gezeigt und die Darstellungen sind nicht in jeder Hinsicht und zwingend maßstabgerecht. Die Erfindung ist auch nicht auf eine bestimmte Größe des betroffenen Passagierflugzeuges beschränkt.
In der 1 sieht man ein großes Passagierflugzeug 5 von der Seite. Das Passagierflugzeug 5 besitzt einen Rumpf 10 sowie weitere für ein Passagierflugzeug 5 wichtige Elements, beispielsweise einen Flügel 30, ein Seitenleitwerk 40, ein Triebwerk 50 und ein Höhenleitwerk 60. Da das Passagierflugzeug 5 von der Seite dargestellt ist, sind der Flügel 30 und das Triebwerk 50 auf der anderen Seite durch den Rumpf 10 abgedeckt und nicht zu sehen.
Der Rumpf 10 besteht aus mehreren Abschnitten beziehungsweise Bereichen 11, 12 und 13. Zu erkennen sind ein Cockpitbereich 11 und ein Heckbereich 13 des Rumpfes 10, zwischen denen ein mittlerer Rumpfbereich 12 zu sehen ist.
Der Cockpitbereich 11 des Rumpfes 10 weist zwei vordere Passagiertüren 21, zwei Frachttore 22 und einen Bugfahrwerkschacht 23 auf. Dabei sind jeder Seite des Rumpfes 10 eine Passagiertür 21 und ein Frachttor 22 zugeordnet. Das jeweilige Frachttor 22 ist unterhalb der zugehörige Passagiertür 21 angeordnet.
Der mittlere Rumpfbereich 12 des Rumpfes 10 des Passagierflugzeugs 5 zeigt eine Reihe von Fenstern 24. Die Fenster sind als ungefähr rechteckig, allerdings abgerundet zu erkennen. Es sind relativ viele derartige Fenster 24 vorgesehen, die sich überwiegend in gleichem Abstand zueinander in der gleichen Höhe des Rumpfes 10 befinden und die untereinander auch etwa die gleiche Form und Größe besitzen. Eine gleichartige Form und Zahl von Fenstern 24 befindet sich auf der nicht dargestellten abgewandten Seite des Rumpfes 10.
Zwei von den dargestellten Fenstern 24 auf jeder Seite des Rumpfes 10 sind als Notausstiege 25 ausgelegt, besitzen also etwas größere Abmessungen als die Fenster 24.
Einige der Fenster 24 sind in dieser Ausführungsform auch noch im Heckrumpfbereich 13 vorgesehen.
Der Heckrumpfbereich 13 weist zwei hintere Passagiertüren 26 auf, nämlich je eine Passagiertür 26 auf jeder Seite des Rumpfes 10. Darüber hinaus ist im Heckrumpfbereich 12 ein Hauptfahrwerkschacht 27 vorgesehen.
In dem Heckrumpfbereich 12 befinden sich außerdem Ankopplungsstellen 31 für die Flügel 30, wobei wiederum auf jeder Seite des Rumpfes 10 je eine Ankopplungsstelle 31 für je einen Flügel 30 vorgesehen sind.
Die Flügel 30 sind bei dieser Ausführungsform als vorwärts gepfeilte Flügel ausgebildet, die für eine Tiefdeckeranordnung des Passagierflugzeuges 5 ausgebildet sind.
Oben auf dem Heckrumpfbereich 13 befindet sich eine Ankopplungsstelle 41 für das Seitenleitwerk 40.
Außerdem sind auf den beiden Seiten des Rumpfes 10 im Heckrumpfbereich 13 je eine Ankopplungsstelle 51 für je eines der beiden Triebwerke 50 aus dieser Ausführungsform der Erfindung am Rumpf vorgesehen.
Oben auf dem Seitenleitwerk 40 ist schließlich noch ein Höhenleitwerk 60 in einer T-Leitwerkbauweise vorgesehen.
Der Heckrumpfbereich 13 wird in dieser Ausführungsform der Erfindung nochmals unterteilt durch ein Rumpfdruckschott 14, welches hier nach hinten den für die Passagiere vorgesehenen Innenraum abschließt.
Durch eine unterschiedliche Schraffur der verschiedenen Bereiche ist angedeutet, dass der Cockpitbereich 11 und der Heckrumpfbereich 13 des Rumpfes 10 jeweils aus Metallwerkstoffen aufgebaut sind, was den eigentlichen Rumpf 10 betrifft. Der zwischen dem Cockpitbereich 11 und dem Heckrumpfbereich 13 liegende Abschnitt beziehungsweise mittlere Rumpfanteil oder Rumpfbereich 12 ist dagegen aus Faserverbundwerkstoffen aufgebaut.
Das bedeutet, dass in der Gesamtkonfiguration des abgebildeten Passagierflugzeuges 5 die vergleichsweise großen Ausschnitte im Rumpf 10 für die Passagiertüren 21 und 26 sowie für die Frachttore 22, für die Ankopplungsstellen 31 und 41 für die Flügel 30 und die Seitenleitwerke 40 sowie die Ankopplungsstellen 51 für die Triebwerke 50 und auch die Bug- und Hauptfahrwerkschächte 23 und 27 jeweils an metallischen Abschnitten des Rumpfes 10, nämlich an dem Cockpitbereich 11 und dem Heckrumpfbereich 13, angeordnet sind.
Die Metallwerkstoffe in dem Cockpitbereich 11 und dem Heckrumpfbereich 13 weisen im Vergleich zu dem Faserverbundwerkstoffen des mittleren Rumpfbereiches 12 keine gegenläufigen Eigenschaften für die Zug-, Druck- und für die Scher-Lochleibungsbeanspruchungen auf. Bei Metallwerkstoffen ist bei einer höheren Zug- und Druckfestigkeit auch die Scher- und Lochleibungsfestigkeit höher.
Bei Metallwerkstoffen, die im Flugzeugbau verwendet werden, vor allem beispielsweise Aluminiumlegierungen, weisen eine Scherfestigkeit auf, die weit größer ist als die interlaminare Scherfestigkeit für Faserverbundwerkstoffe, insbesondere für CFK-Werkstoffe. Die Scherfestigkeit der Metallwerkstoffe ist auch größer als die (nicht interlaminare) Scherfestigkeit bei Faserverbundwerkstoffen, insbesondere CFK-Werkstoffen, mit einem hohen Anteil an unidirektionalen Fasern, also mit hohem UD-Anteil.
Die Spannungskonzentrationsfaktoren für die Ausschnittbereiche von Bauteilen aus Metallwerkstoffen sind niedriger als die Spannungskonzentrationsfaktoren für die von der Größe her gleichen Ausschnittbereiche von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen mit hohen Faseranteilen mit einer sogenannten 0°-Orientierung.
Das bedeutet, dass die Metallwerkstoffe sich strukturmechanisch weit besser als Faserverbundwerkstoffe eignen, soweit es um Lösungen für die vorstehend genannte Problematik der Ausschnitte und Ankopplungen geht. Das betrifft insbesondere die vergleichsweise großen Ausschnitte, die für beispielsweise die Ankopplungen von Flügeln, Seitenleitwerken und Triebwerken an dem Rumpf 10 benötigt werden, ebenso auch für die relativ großen Ausschnitte für Passagiertüren und Frachttore.
Die verwendeten Metallwerkstoffe demonstrieren in diesen Fällen höhere Ausnutzungsgrade im Vergleich zu Faserverbundwerkstoffen.
Anders sieht es dagegen hinsichtlich des mittleren Rumpfbereiches 12 aus, der wie dargestellt aus Faserverbundwerkstoffen aufgebaut ist. Wie man in der 1 sieht, zeigt dieser Bereich des Passagierflugzeuges 5 einen Rumpf 10 mit einer regelmäßigen und einfachen Struktur ohne große Ausschnitte auf. In dem mittleren Rumpfbereich 12 befinden sich Ausschnitte nur für die Fenster 24 sowie für zwei Notausstiege 25. Diese relativ kleinen, regelmäßigen und einfachen Strukturen von Ausschnitten ergeben vielversprechende Voraussetzungen für ein darüber hinaus kostengünstiges kontinuierliches Produktionsverfahren, In Betracht kommen hier etwa Verfahren aus der Wickeltechnik, Pultrusion, Fiberplacement. Auf diese Weise wird das Wirtschaftlichkeitspotential einer solchen Konzeption verbessert.
Dieser Wirtschaftlichkeitsansatz ist äußerst relevant beim Einsatz von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen. Faserverbundwerkstoffe, beispielsweise CFK-Werkstoffe, sind deutlich teurer als Aluminiumlegierungen. Um eine Kostenersparnis gleichwohl erzielen zu können, ist es sehr sinnvoll, wenn für die Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen kostengünstige Fertigungsverfahren eingesetzt werden können. Die regelmäßige und einfache Bauweise, wie sie hier in der 1 dargestellt und beschrieben ist, die ohne grolle Ausschnitte aus dem mit Faserverbundwerkstoffen aufgebauten mittleren Rumpfbereich 12 auskommt, ermöglicht es, die herausragenden Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen ausschöpfen zu können, die in diesem mittleren Rumpfbereich 12 ohne Ausschnitte voll zum Tragen gebracht werden, und zugleich aufgrund der gleichen Konzeption mit wenigen großen und unregelmäßigen Ausschnitten auch den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen zu unterstützen und voranzutreiben, indem gerade dadurch nun auch eine hohe Wirtschaftlichkeit und Leichtbaugüte erzielt werden kann.
Speziell in der Ausführungsform in der 1 ist eine vorwärts gepfeilte Anordnung des Flügels 30 vorgesehen. Diese Anordnung ermöglicht im Vergleich zu einer konventionellen Gesamtfiguration des Flugzeuges 5 mit einem rückwärts gepfeilten Flügel 30, eine besonders weit nach hinten reichende Erstreckung des mittleren Rumpfbereiches 12 mit der regelmäßigen und einfachen Faserverbundstruktur zu realisieren. Auf diese Weise wird es möglich, mehr als 50% der Gesamtlänge des Rumpfes 10 diesem mittleren Rumpfbereich 12 zuzuordnen und ihn aus Faserverbundwerkstoffen aufzubauen. Auf diese Weise kann in noch größerem Maße strukturmechanisch beziehungsweise wirtschaftlich der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen genutzt werden.
Die vorwärts gepfeilte Anordnung des Flügels 30 verlegt relativ zu einer rückwärts gepfeilten Anordnung des Flügels 30 eine Anordnung der Ankopplungsstelle 31 am Rumpf 10 weiter nach hinten, so dass dieser große Ausschnitt im metallischen Heckrumpfbereich 13 des Rumpfes 10 angeordnet werden kann.
Die von beiden Seiten des Rumpfes 10 aus angeordneten Frachttore 22 unterhalb der Passagiertüren 21 erlauben gleichzeitig den Eintritt von Passagieren in das Innere des Passagierflugzeuges 5 und das Beladen des Frachtraumes dieses Passagierflugzeuges mit Fracht.
In der 2 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Wesentliche Elemente entsprechen dem Aufbau in der 1, so dass insoweit darauf verwiesen werden kann, beispielsweise hinsichtlich des Cockpitbereiches 11 mit den dort vorgesehenen Details und auch hinsichtlich des aus Faserverbundwerkstoffen aufgebauten mittleren Rumpfbereiches 12 des Rumpfes 10 des Passagierflugzeugs 5.
Im hinteren Heckrumpfbereich 13 erkennt man wiederum das Rumpfdruckschott 14, die Passagiertür 26 und den Hauptfahrwerkschacht 27.
Ein Unterschied zeigt sich jedoch hinsichtlich des Flügels 30, der hier für eine Hochdeckeranordnung des Passagierflugzeuges 5 ausgebildet ist. Auch in dieser Hochdeckeranordnung ist ein nach hinten verschobener vorwärts gepfeilter Flügel 30 vorgesehen. Aufgrund der Hochdeckeranordnung ist die Ankopplungsstelle 31 für den Flügel 30 über den hinteren Passagiertüren 26 angeordnet. Der Hauptfahrwerkschacht 27 befindet sich unter den hinteren Passagiertüren 26.
Durch diesen Aufbau wird die Länge des metallischen Anteiles des Rumpfes 10, hier also des Heckrumpfanteiles 13, reduziert. Dem gegenüber verlängert sich die regelmäßige Faserverbundstruktur des mittleren Rumpfbereiches 12 des Rumpfes 10 und erlaubt es auf diese Weise, den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen weiter zu verstärken und dessen Vorteile noch besser nutzen zu können.
In dieser Gesamtkonzeption ist fast der gesamte Passagierraum des Rumpfes 10 aus Faserverbundwerkstoffen ausgeführt.
Angemerkt sei noch, dass die Ankopplungsstelle 31 des Flügels 30 am Rumpf 10 aus geometrischen Gründen eine obere aerodynamische Verkleidung 32 aufweisen kann.
In der 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die im Vergleich zu der Ausführungsform in der 2 einige Modifikationen aufweist.
So ist in der Ausführungsform in der 3 das Höhenleitwerk 60 verändert und verlagert worden. Man sieht, dass das Seitenleitwerk 40 jetzt kein Höhenleitwerk mehr trägt.
Stattdessen befindet sich das Höhenleitwerk 60 in Form einer Canard-Konfiguration im vorderen Cockpitbereich 11. Das Höhenleitwerk 60 ist jetzt nämlich vor der vorderen Passagiertür 21 und dem Frachttor 22 angeordnet und seinerseits ebenfalls vorwärts gepfeilt.
Diese Konfiguration und Anordnung des Höhenleitwerks 60 vergrößert den Abstand zwischen dem Schwerpunkt des Passagierflugzeuges 5 und den aerodynamischen Höhenrudersteuerkräften. Durch diese Vergrößerung wird die Effektivität von Höhenrudern verbessert. Im Ergebnis wird der gesamte Auftrieb des Passagierflugzeuges 5 erhöht.
Anderseits wird durch das vorwärts gepfeilte Höhenleitwerk 30 in der Canard-Konfiguration der Eintritt von Passagieren durch die Passagiertüre 21 und auch das Frachtbeladen durch das Frachttor 22 nicht behindert. Trotz der ungewohnten Anordnung des Höhenleitwerks 60 entstehen mithin Vorteile mehrfacher Art.
Insbesondere ist es auch möglich, die erfindungsgemäßen Vorteile eines möglichst hohen Anteils des mittleren Rumpfbereiches 12 am gesamten Rumpf 10 zum Einsatz von Faserverbundwerkstoffen zu nutzen.
In der Ausführungsform der 4 ist eine weitere Modifikation der Ausführungsform aus der 3 dargestellt. Zu beachten ist, dass es natürlich auch wieder möglich ist, eine andere Kombination von Merkmalen vorzunehmen, also beispielsweise ein Höhenleitwerk wie in der Ausführungsform nach den 1 und 2 mit den Modifikationen aus der 4 einzusetzen, also keine Canard-Konfiguration des Höhenleitwerkes 60 zu verwenden.
Dargestellt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der die Ankopplungsstelle 31 für den Flügel 30 und auch der Hauptfahrwerkschacht 27 hinter dem schon erwähnten Rumpfdruckschott 14 angeordnet ist. Hinter dem Rumpfdruckschott 14 befindet sich dann noch ein Rumpfbereich 15.
Dieser Rumpfbereich 15 hinter dem Rumpfdruckshot 14 ist nicht druckbelüftet.
Auf diese Weise wird die Konstruktion und auch der Zusammenbau des Heckrumpfbereiches 13 erheblich vereinfacht.
Darüber hinaus wird es möglich, den Flügel 30 ohne eine obere aerodynamische Verkleidung 32 zu positionieren. Dies liegt daran, dass es in dem fraglichen Bereich keine Passagiertür 27 bei dieser Ausführungsform gibt und daher günstige geometrische Verhältnisse für eine solche Anordnung existieren.
Mit einer solchen Ausführungsform kann die Aerodynamik des Passagierflugzeuges 5 verbessert werden.
Bezugszeichenliste

5: Passagierflugzeug
10: Rumpf des Passagierflugzeugs 5
11: Cockpitbereich des Rumpfes 10 des Passagierflugzeugs 5
12: Mittlerer Rumpfbereich des Rumpfes 10
13: Heckrumpfbereich des Rumpfes 10
14: Rumpfdruckschott
15: Rumpfbereich hinter dem Rumpfdruckschott 14
21: vordere Passagiertüren
22: Frachttore
23: Bugfahrwerkschacht
24: Fenster
25: Notausstieg
26: hintere Passagiertüren
27: Hauptfahrwerkschacht
30: Flügel
31: Ankopplungsstelle für den Flügel 30 am Rumpf 10
32: aerodynamische Verkleidung für die Ankopplungsstelle 31 des Flügels 30 am Rumpf 10
40: Seitenleitwerk
41: Ankopplungsstelle für das Seitenleitwerk 40 am Rumpf 10
50: Triebwerk
51: Ankopplungsstelle für das Triebwerk 50 am Rumpf 10
60: Höhenleitwerk

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10145272 B4 [0009]
DE 10145276 B4 [0009, 0020]
EP 2374713 A2 [0011]
US 7900865 B2 [0035, 0039]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Flug Revue, August 2009, Seite 14 [0025]

Claims

Flugzeug, insbesondere Passagierflugzeug (5), mit einem Rumpf (10), mit Flügeln (30) und mit Öffnungen (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) im Rumpf (10) sowie mit Ankopplungsstellen (31, 41, 51) für zumindest die Flügel (30) am Rumpf (10), wobei der Rumpf (10) aus zumindest Metallwerkstoffen und Faserverbundwerkstoffen aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rumpf (10) in zumindest drei Längsabschnitte (11, 12, 13) unterteilt ist, dass der vordere Längsabschnitt den Cockpitbereich (11) aufnimmt und im Wesentlichen aus Metallwerkstoffen besteht, dass der hintere Längsabschnitt den Heckrumpfbereich (13) des Rumpfes (10) aufnimmt und im Wesentlichen aus Metallwerkstoffen besteht, dass der mittlere Längsabschnitt den mittleren Bereich (12) des Rumpfes (10) zwischen dem Cockpitbereich (11) und dem Heckrumpfbereich (13) aufnimmt und im Wesentlichen aus Faserverbundwerkstoffen besteht, und dass die Länge des mittleren Rumpfbereichs (12) aus Faserverbundwerkstoff zumindest 50% der Gesamtlänge des Rumpfes (10) des Flugzeuges beträgt.
Flugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Öffnungen in Form von Passagiertüren (21, 26) vorgesehen sind und dass die Passagiertüren als vordere Passagiertüren (21) im aus Metallwerkstoff bestehenden Cockpitbereich (11) des Rumpfes (10) und hintere Passagiertüren (26) im aus Metallwerkstoff bestehenden Heckrumpfbereich (13) des Rumpfes (10) angeordnet sind.
Flugzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Öffnungen in Form von Frachttoren (22) vorgesehen sind, und dass die Frachttore (22) im Cockpitbereich (11) und/oder im Heckrumpfbereich (13) des Rumpfes (10) des Flugzeuges angeordnet sind.
Flugzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frachttore (22) auf beiden Seiten des Flugzeugs unterhalb der vorderen Passagiertüren (21) angeordnet sind.
Flugzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Öffnungen als ein Bugfahrwerkschacht (23) im aus Metallwerkstoff bestehenden Cockpitbereich (11) des Rumpfes (10) angeordnet ist.
Flugzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Öffnungen als ein Hauptfahrwerkschacht (27) im aus Metallwerkstoff bestehenden Heckrumpfbereich (13) des Rumpfes (10) angeordnet ist.
Flugzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptfahrwerkschacht (27) unter den hinteren Passagiertüren (26) angeordnet ist.
Flugzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ankopplungsstellen (31) für die Flügel (30) am Rumpf (10) und/oder Ankopplungsstellen (41) für ein Seitenleitwerk (40) am Rumpf (10) und/oder Ankopplungsstellen (51) für die Triebwerke (50) am Rumpf (10) im aus Metallwerkstoff bestehenden Cockpitbereich (11) und/oder im Heckrumpfbereich (13) des Rumpfes (10) angeordnet sind.
Flugzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankopplungsstellen (31) für die Flügel (30) über den hinteren Passagiertüren (26) angeordnet sind.
Flugzeug nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rumpfdruckschott (14) vorgesehen ist, und dass die Ankopplungsstellen (31) für die Flügel (30) und der Hauptfahrwerkschacht (27) hinter dem Rumpfdruckschott (14) angeordnet sind.
Flugzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Öffnungen als Fenster (24) oder Notausstiege (25) ausgebildet sind, und dass zumindest der überwiegende Teil der Fenster (24) und der Notausstiege (25) im aus Faserverbundwerkstoffen bestehenden mittleren Rumpfbereich (12) des Rumpfes (10) angeordnet ist.
Flugzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flugzeug mit vorwärts gepfeilten Flügeln (30) ausgestattet ist.
Flugzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flugzeug mit Flügeln (30) in einer Tiefdeckeranordnung ausgestattet ist.
Flugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Flugzeug mit Flügeln (30) in einer Hochdeckeranordnung ausgestattet ist.
Flugzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Höhenleitwerk (60) vorgesehen ist, und dass das Höhenleitwerk (60) in einer T-Leitwerkform am Heckrumpfbereich (13) oder am Seitenleitwerk (40) angeordnet ist.
Flugzeug nach einem Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Höhenleitwerk (60) vorgesehen ist, dass das Höhenleitwerk (60) eine Canard-Konfiguration aufweist und dass das Höhenleitwerk (60) vor der vorderen Passagiertür (21) und den Frachttoren (22) im Cockpitbereich (11) angeordnet ist.
Flugzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Höhenleitwerk (60) eine vorwärts gepfeilte Canard-Konfiguration aufweist.