Lastversuche

Am 3. Dezember 2009 wurden mit dem Rumpf des ApisJet die im Rahmen der Zulassung geforderten Lastversuche durchgeführt. Unter den strengen Augen unseres Betreuers vom Luftfahrtbundesamt (LBA), Herrn U. Kopp, wurden insgesamt 14 verschiedene Lastfälle bei einer Temperatur von 54 °C gefahren. Bei jedem dieser Versuche wurde die Bruchlast nachgewiesen. D. h. ein Sicherheitsfaktor von j = 1,5. Der Aufwand dazu war zwar groß, aber nach fünf Stunden harter Versuchsarbeit wurde das Team mit einem höchst erfreulichen „Bestanden“ belohnt!

Die Versuche waren erforderlich, weil zum einen für das Grundmuster Apis2 als UL andere Lastannahmen gelten und zum anderen, weil am Rumpf umfangreiche strukturelle Änderungen notwendig waren, z. B. Öffnungen als Lufteinlässe und für den Abgasstrahl.

Die Vorbereitungen zu diesen bislang aufwändigsten Tests im Projektverlauf waren sehr umfangreich. Da das LBA auf einer erhöhten Versuchstemperatur von 54 °C bestanden hatte, waren neben der „normalen“ Versuchsplanung sowie der Konstruktion und dem Bau von entsprechenden Hilfsvorrichtungen auch Versuche notwendig, die die Wirksamkeit und Verwendbarkeit des „Wintergartens“ - des Thermozelts - beweisen mussten.
Das Thermozelt hatte die Aufgabe, um den Rumpf herum ein Luftvolumen abzugrenzen, das

  1. mit vertretbarem Aufwand auf 54°C aufgeheizt werden konnte.
  2. auf eine Temperatur innerhalb einer Spanne von 2°C eingeregelt werden konnte.
  3. genügend groß war, um einen Teil der Versuchsmannschaft sowie Messgeräte und Hilfsvorrichtungen aufzunehmen.
Bild 1: Thermozelt

Infolge dessen wurde im Gebäude 6 der Hochschule Esslingen, dem Labor für Wärme- und Strömungstechnik, ein Holzgerüst von ca. 8m x 3m x 3m aufgebaut und rundum doppelwandig mit Luftpolsterfolie bespannt. Bei den ersten Aufheizversuchen zeigte sich, dass es zusätzlich notwendig war, den steinernen Laborboden in diesem Bereich mit Styrodur-Platten auszulegen. Trotzdem waren am Ende vier Warmluftgebläse sowie drei Heißluftföns und mehrere Ventilatoren zum Umwälzen der Luft im Einsatz.

Testprogramm

Folgende Versuche wurden durchgeführt, um die Festigkeit des ApisJet-Rumpfes sowie von Höhenleitwerk (HLW) und Seitenleitwerk (SLW) nachzuweisen:

  1. Drehlandung - CS22.501
  2. Handkräfte am HLW, horizontal, unsymmetrisch - CS22.593
  3. Handkräfte am HLW, horizontal, symmetrisch - CS22.593
  4. Böenlast SLW + Böen-Rollmoment T-Leitwerk - CS22.443
  5. Betätigungslast HLW bei Geschwindigkeit VD, Versuch 1 - CS22.423
  6. Spornlandung - CS22.481
  7. Bugschleppkupplung +20° vertikal - CS22.585
  8. Bugschleppkupplung 0° - CS22.585
  9. Bugschleppkupplung -40° vertikal - CS22.585
  10. Bugschleppkupplung 30° seitlich - CS22.585
  11. Bugschleppkupplung 90° seitlich - CS22.585
  12. Betätigungslast HLW bei Geschwindigkeit VD, Versuch 2 - CS22.423
  13. Überlagerung 75% Betätigungslast HLW + 75% Betät.last SLW - CS22.447
  14. Überlagerung Betät.last SLW + unsymmetrische Grundlast HLW - CS22.447

In der rechnerischen Auslegung des Rumpfes wurden noch einige weitere Lastfälle berücksichtigt. Die vierzehn hier genannten sind jedoch dimensionierend und bilden die Maximalwerte der theoretisch auftretenden Kräfte und Momente.

Fazit

Während der Versuche konnte festgestellt werden, dass der Rumpf den Belastungen sehr gut Stand hält - kein Knirschen, kein Knacken war zu hören. Auch im Bereich der Lufteinlässe, des Wartungsdeckels auf der Oberseite und am Schalldämpfer-Austritt zeigte sich die Konstruktion als sehr stabil. Es wurden kaum Verformungen (z. B. in Form von Beulen) ermittelt.

Damit ist das Projekt ApisJet wieder einen großen Schritt weiter in Richtung Erstflug gekommen.

Das Versuchsteam bedankt sich an dieser Stelle besonders bei

  • Martin Wezel und Uli Schreiner - die an den Versuchen leider nicht teilnehmen konnten - für ihre wertvollen Tipps zu Planung und Durchführung sowie das Bereitstellen von Teilen der Messtechnik.
  • Fa. Sandstrahl-Bay aus Esslingen, die uns kostenlos 1000kg Strahlgut (Stahlkugeln) in Form von „handlichen“ 25kg-Säcken zur Verfügung gestellt hatte.
  • Prof. Czarnetzki, dem Laborleiter des Labors für Wärme- und Strömungstechnik, dass wir über mehrere Wochen hinweg das Labor belegen und das ein oder andere Dübelloch setzen durften.

Versuche

Als anschauliche Beispiele sollen Versuch 1 und Versuch 12 etwas näher erläutert werden.
Kleine Bemerkung am Rande: Wenn Sie sich die Filme mit Ton anschauen und Ihnen liegt dabei ein ziemlich nervendes Surren und Rauschen im Ohr, dann ist nicht einer Ihrer PC-Lüfter defekt, sondern Sie hören die Heizlüfter im Thermozelt!

Versuch 1 - Drehlandung (CS 22.501)

Nach CS 22.501 müssen Seitenkräfte auf das Spornrad berücksichtigt werden. Diese sind u. a. abhängig von Spannweite und Radstand. Im Fall des ApisJet ist eine sichere Last von etwa 800 N nachzuweisen, bei einem Sicherheitsfaktor von j = 1,5 ergeben sich ca. 1200 N für die Bruchlast. Dadurch wird der Rumpf hinter dem Flügel sehr stark auf Biegung und Torsion belastet.

Der Versuchsaufbau wurde wie in Bild 2 dargestellt ausgeführt.
Dabei sind:

  • grün = Vorrichtungen: L-Bock für Befestigung der Seilwinde und Umlenkung des Zugseils, Ersatzvorrichtung für Spornrad
  • blau = Messtechnik: K1 = Kraftmessdose 1, W1...W5 = Wegaufnehmer
  • rot = Höhenleitwerk
Bild 2: Versuchsaufbau Nr. 1

Ablauf des Versuchs:
Mit einer Seilwinde wird am Bodenaufstandspunkt des Spornrades mit den geforderten Lasten gezogen. Die Last wird langsam aufgebracht, bis der Sollwert von 797 N (j=1) erreicht wird. Dieser ist 3sek zu halten. Danach wird wieder entlastet, um anschließend bis auf die Bruchlast von 1196 N zu fahren, die ebenfalls 3sek zu halten ist.

Die Dokumentation des Versuchs erfolgte durch Kraft- und Wegsensoren sowie Filmaufnahmen. Neben der Messtechnik spielen auch das menschliche Gehör sowie das Auge eine wichtige Rolle, um eventuell auftretende Strukturschäden schon im Ansatz zu registrieren.

Bild 3: Vorschau zu Film Versuch 1

Bei dem Versuch war eine Kamera im Heckbereich positioniert (siehe Bild 3). Am unteren Bildrand sieht man die Kraftmessdose mit diversen Schäkeln und Gelenkköpfen - Zugrichtung nach links. Rechts unten ist der stabile Aluminiumklotz mit Ringschraube zu sehen, der anstelle des Spornrades angebracht wurde. Zur besseren Einschätzung der Verformungen: der Aluminiumklotz hat eine Breite von 60 mm.

Am Rumpf entlang weiter vorne sind diverse Gurte und Seile für weitere Versuche bereitgelegt. Die von oben ins Bild ragende Kette kommt bei diesem Versuch nicht zum Einsatz.

Zum Betrachten des Films klicken Sie bitte unten.

 

Kraft-Zeit-Diagramm:
Die rote Linie zeigt die Zuglast, wie sie von Kraftmessdose 1 aufgenommen wurde.
Kraftmessdose 2 (blau) war nicht im Einsatz.

Bild 4: Kraft-Zeit-Verlauf Versuch 1

Weg-Zeit-Diagramm:
Die Wegsensoren 1, 2 und 3 zeigen die Auslenkung des Rumpfhecks bzw. der Seitenflosse während des Tests. Es wurde bei Bruchlast ein max. Weg von ca. 85 mm auf Höhe des Spornrades registriert. Die Verformung erfolgte rein elastisch.

Bild 5: Weg-Zeit-Verlauf Versuch Nr. 1

Versuch 12 - Betätigungslast Höhenleitwerk bei VD (CS 22.423 und CS 22.331)

Bei Betätigung der Höhensteuerung wird am Höhenleitwerk mehr Auf- bzw. Abtrieb erzeugt. Diese Kräfte müssen auch von der Seitenflosse - die das Höhenleitwerk trägt - und dem Rumpfheck ertragen werden. Die höchsten Lasten entstehen dabei bei der Geschwindigkeit VD und einem Lastvielfachen von 4,4 g. Es sind beim ApisJet eine sichere Last von 1588 N und eine Bruchlast von 2382 N nachzuweisen.

Da in diesem Flugzustand das Flugzeug selten ohne Pilot unterwegs ist, muss im Cockpit die entsprechende Gegenkraft aufgebracht werden. Dies geschieht in Form von „leicht handhabbaren“ 25kg-Säcken, die auf den Sitz gestapelt werden.

Diese Gegenkraft setzt sich zusammen aus dem max. zulässigen Pilotengewicht von 110 kg bei einem Lastvielfachen von n = 4,4 g und einem Sicherheitsfaktor von j = 1,5. Aufmerksame Leser werden jetzt feststellen, dass daraus eigentlich 726 kg resultieren. Aus Gründen der Rationalisierung der Versuchsauf- und -umbauten wurde das Cockpit jedoch mit einer Masse entsprechend n = 5,3 g (Pilot 110kg, j = 1,5) beladen.

Die folgende Skizze zeigt den Versuchsaufbau.
Es sind wieder:

  • grün = Vorrichtungen: L-Bock für Befestigung der Seilwinde und Umlenkung des Zugseils, Umlenkrolle für Zugseil, Zugvorrichtung für Höhenleitwerks-Beschlag
  • blau = Messtechnik: K1 = Kraftmessdose 1, W1...W5 = Wegaufnehmer
  • braun = 25kg-Säcke mit Strahlgut
Bild 6: Versuchsaufbau Nr. 12

Ablauf des Versuchs:
Es werden 35 Säcke á 25kg definiert in das Cockpit gestapelt. Dies entspricht bereits der Bruchlast. Dabei wird auch die Masseverteilung von Armen und Beinen berücksichtigt. Dann wird über eine Seilwinde und ein entsprechendes Lastgeschirr eine Zugkraft senkrecht nach unten auf die Seitenflosse aufgebracht. Auch hier wird wieder zuerst bis zur sicheren Last gefahren, entlastet und dann mit der Bruchlast belastet.

Bild 7: Vorschau zu Film Versuch 12

Die Kamera filmt hier am Rumpf entlang nach hinten. Am Bildrand unten ist ein roter Balken zu sehen. An diesem laufen die Zugseile von SLW-Spitze und Seilwinde zusammen. Der gelbe Gurt um den Rumpf wurde für andere Versuche benötigt und ist hier lose.
Die Bilder demonstrieren auch hier wieder eindrucksvoll die elastische Verformbarkeit der Faserverbund-Struktur.

Anmerkung zum Film: Stellenweise ist ein Knarzen zu hören. Dies stammt nicht vom Rumpf, sondern es lief jemand über die auf dem Boden ausgelegten Styrodur-Platten!


Kraft-Zeit-Diagramm:
Die rote Linie zeigt den Verlauf der Zuglast über der Versuchsdauer. In den 1860 sek, die außerhalb des Diagramms liegen, wurden u. a. die Säcke in das Cockpit gestapelt.
Kraftmessdose 2 (blau) war nicht im Einsatz.

Bild 8: Kraft-Zeit-Verlauf Versuch Nr. 12

Weg-Zeit-Diagramm:
Die Wegsensoren 1, 3 und 5 zeigen die Biegung des Rumpfes während des Tests. Es wurde am Heck bei Bruchlast ein max. Weg von ca. 95 mm registriert. Wegsensor 2 dokumentiert die Vertikalbewegung des Vorderrumpfes, Wegsensor 5 das Setzen des gesamten Versuchsaufbaues.

Bild 9: Weg-Zeit-Verlauf Versuch Nr. 12

The day after...

Nach dem allerletzten Versuch. Jeder weitere Kommentar erübrigt sich...

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