Jahrbuch Bauhaus Luftfahrt 2015

58 systems & aircraft technologies
Nachwachsende
Rohstoffe als Option
für Flügelstrukturen
Renewable materials
options for aircraft
wing structures
Mit den Zielen einer Reduzierung von CO 2 -Emissionen,
der Unabhängigkeit von fossilen Ressourcen
und einer größeren Autonomie gegenüber Preisschwankungen
werden Rohstoffe aus erneuerbaren
Quellen für Luftfahrtanwendungen gesucht. Im
Allgemeinen bieten mit Endlosfasern verstärkte
Polymer-Verbundwerkstoffe gute mechanische
Eigenschaften, die sie zu idealen Leichtbau-Kandidaten
machen, insbesondere im Vergleich zu „traditionellen“
Materialien wie Aluminium. Innovative
Faserverbundwerkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen,
die ähnliche mechanische Eigenschaften
aufweisen wie herkömmlich hergestellte faserverstärkte
Polymere, könnten daher dazu beitragen,
nicht nur den Treibstoffverbrauch, sondern auch den
ökologischen Fußabdruck von Flugzeugen zu senken.
Bauhaus Luftfahrt war imstande, Ramiefasern als
ein geeignetes Material, das den Anforderungen
der Luft- und Raumfahrt in Bezug auf die Materialfestigkeit
entspricht, zu identifizieren.
Auf Flugzeugebene dürfen Flügel aus nachwachsenden
Rohstoffen höchstens das gleiche Gewicht
besitzen wie Flügel aus etablierten Luftfahrt-Materialien.
Durch die Erhöhung der Flügelstreckung
kann die aerodynamische Effizienz im zweistelligen
Prozentbereich verbessert werden, was aber zu
einem erhöhten Flügelstruktur-Gewicht führt. Erste
Abschätzungen ergaben, dass Flügel mit hoher
Streckung und aus nachwachsenden Rohstoffen zu
einem vergleichbaren Ergebnis in Bezug auf die
Flügelgewichtsreduktion führen wie herkömmliche
faserverstärkte Polymere. In weiteren Schritten
sollen die Materialeigenschaften von nachwachsenden
Rohstoffen untersucht und mit den Anforderungen
der Luftfahrt abgeglichen werden.
C
C 2
Di =
pe AR
Die Formel
beschreibt die
Abhängigkeit des
wirbelinduzierten
Widerstands
von der Flügelstreckung.
The formula
describes the
dependency of
the vortexinduced
drag
from the aspect
ratio of a wing.
Ambitious targets for the reduction of CO 2 , the
pursuit of independence from fossil resources
and the demand for cost control have driven efforts
to search for raw materials from renewable
resources for aeronautical applications. In general,
polymer composites reinforced with endless
fibres offer good mechanical properties, making
them ideal candidates for lightweight design,
compared to conventional materials such as aluminium.
Advanced fibre composites made from
renewable resources, which have similar mechanical
properties to “traditionally” produced
carbon fibres reinforced polymers, would therefore
contribute to lower fuel burn in operation
due to lower structural weights than aluminium.
Additionally, these composites have the potential
to decrease an aircraft’s carbon footprint. Bauhaus
Luftfahrt was able to identify ramie fibres as
a suitable raw material meeting the requirements
in aerospace in terms of material’s stiffness and
strength.
With an increase of wing’s aspect ratio, a
double-digit improvement of the aerodynamic
performance can be expected, but, consequently,
at a higher structural wing weight. To maintain
a benefit on overall aircraft level, high aspect
ratio wings out of renewable materials have to
be the same weight or lower, compared to established
aerospace materials. A first assessment
performed by Bauhaus Luftfahrt showed that, for
high aspect ratio wings, renewable materials
lead to a similar outcome in terms of wing weight
reduction, compared to conventional carbon fibres
reinforced polymers. As a next step, besides
mechanical properties, further characteristics of
renewable raw materials to sustain operational
conditions must be studied.