Wenn sich die Tragflächen biegen

Wie Verkehrsflugzeuge für die Belastungen des realen Flugbetriebs bei Wind und Wetter getestet werden

Belastungstest am Tragflügel einer Boeing 787
Belastungstest am Tragflügel einer Boeing 787

Für viele Passagiere ist es bei jedem Flug das Gleiche: Sie erleben den Aufenthalt in der Luft bei ihrer Urlaubs- oder Geschäftsreise als Tortur. Das gilt umso mehr, wenn das Wetter während des Fluges mal nicht so ideal ist. Wird das Flugzeug von »Luftlöchern« geschüttelt, biegen sich die Tragflächen bedrohlich in kräftigen Windböen, empfinden viele Fluggäste einen sonst eher unspektakulären Landeanflug als Abenteuer. So manchem Passagier schießt da mehr oder weniger deutlich die Frage in den Sinn, was ein Flugzeug wohl auszuhalten vermag – meist verbunden mit der vagen Hoffnung, dass »die Flugzeugingenieure« solche Unwetter schon »irgendwie« bei der Konstruktion der Maschine berücksichtigt haben werden.

Haben sie tatsächlich. Und das genauere Wissen um die Fakten kann in einer solchen Flugsituation ungemein beruhigend wirken – zum Beispiel wenn man weiß, dass die Belastungen für die Flugzeugstruktur bei der folgenden Landung sehr viel höher sind als bei dem vermeintlich so gefährlichen Windgetöse.

Aber der Reihe nach. Jeder Flugzeugtyp, der für den Liniendienst entworfen wird, muss während der Entwicklungszeit ein äußerst umfangreiches Programm von Belastungstests über sich ergehen lassen, bevor der Hersteller und – vor allem – die Behörden das Modell für den harten Flugzeugalltag als geeignet ansehen. In zahlreichen Schwingungs- und Funktionstests wird das Flugzeug allen Belastungen, mit denen es auch in seiner späteren Dienstzeit zu tun haben wird, ausgesetzt.

Die Tests laufen über mehrere Jahre. Dafür wird eines der Flugzeuge der Serie in mehrere Teile zerlegt, die auf einen speziellen Versuchsaufbau für diese Belastungstests montiert werden. Bei den einzeln auf diesen Aufbau montierten Teilen handelt es sich um das vordere Rumpfteil des Flugzeugs, das mittlere Rumpfteil, das Heck, die Tragflächen und das Leitwerk. An allen Teilen befinden sich noch keine An- und Einbauten, sie bestehen nur aus ihren Strukturbestandteilen, denn die sollen ja getestet werden. An den Tragflächen fehlen zum Beispiel noch die Triebwerke, am Rumpf das Fahrwerk. Um die Bedingungen trotzdem so realistisch wie möglich zu halten, werden stattdessen an den Tragflächen Stahldummys mit exakt dem Gewicht der späteren Turbinen montiert. Die Rumpfbestandteile werden dann auf dem Versuchsaufbau durch sogenannte Druckschotten abgedichtet. Dadurch ist es möglich, an den Rumpfteilen auch Druckunterschiede zu simulieren, wie sie später auch im Reiseflug der Maschinen auftreten.

An die so montierten Flugzeugteile werden nun im nächsten Schritt Druckzylinder montiert. Ist der Testaufbau hergestellt, können die Flugzeugingenieure mithilfe dieser Druckzylinder an den Flugzeugteilen alle Belastungen, die während eines Fluges entstehen können, simulieren.

Ein Beispiel: Eine ganze Reihe von Druckzylindern ist unter den Tragflächen aufgebaut. Diese sehen aus wie lange, übergroße Teleskopstangen. Während der Tests fahren die Druckzylinder immer wieder rauf und runter. Entsprechend wird die Tragfläche hochgebogen – in genau dem Maß, wie es der Realität des späteren »Flugzeuglebens« entspricht. Hierbei wird die Tragfläche durch Turbulenzen, aber auch durch den ganz normalen Auftrieb, der an den Tragflächen zerrt, nach oben durchgebogen.

Die Druckzylinder verrichten dabei ihre Arbeit nicht immer gleichförmig. Die Anlage ist so eingestellt und aufgebaut, dass möglichst exakt der spätere Flugzeugalltag wiedergegeben wird. Nur findet alles sehr viel schneller, geraffter statt als in der Realität, denn die Flugzeugbauer möchten natürlich möglichst schnell die Resultate ihrer Arbeit verwerten können. Auch im Simulationsalltag rollt die Maschine also zunächst über den Flughafen, startet dann, befindet sich im Reiseflug, bis sie schließlich landet.

Berücksichtigt ist dabei, ob es sich um eine Langstrecken- oder Kurzstreckenmaschine handelt. Der Unterschied ist wesentlich: Eine Kurzstreckenmaschine landet rund achtmal am Tag, ein Langstreckenflugzeug nur ein- bis zweimal. Nun ist Flug natürlich nicht gleich Flug. Manche Reise findet bei bestem Wetter statt, andere in kräftigen Herbststürmen, bei manchen Landeanflügen ist die Luft ruhig, bei anderen treten heftige Turbulenzen auf. Auch diese Faktoren werden von den Druckzylindern simuliert, sodass sich ein möglichst realistischer Ablauf des späteren »Flugzeuglebens« ergibt.

Natürlich werden die Tests genauestens beobachtet und kontrolliert. Schon ein Blick auf die entstehenden Belastungskurven vermittelt aber überraschende Einsichten: Turbulenzen sind auf den entsprechenden Diagrammen als scharfe Ausschläge nach oben deutlich zu erkennen. Diese werden allerdings von den Ausschlägen bei einer jeden Landung bei weitem übertroffen.

Als Lebensdauer hat Airbus bei den Tests für den Airbus A300 eine Zeit von 25 Jahren angenommen, was rund 48 000 Flügen entspricht. Um ganz sicher zu gehen, wurde der doppelte Zeitraum, also eine Lebensdauer von 50 Jahren, getestet. Beim neueren Airbus A320 simulierten die Techniker des europäischen Gemeinschaftsunternehmens sogar 120 000 Flüge. In diesem Testzeitraum dürften durch die wechselnden Belastungen keine sicherheitsrelevanten Schäden an den Flugzeugteilen auftreten.

Die Verformung der Flügel bei den Ermüdungstests ist natürlich messbar. Die sich dabei ergebenden Werte beziehen sich immer auf die Flügelspitzen und geben deren Anhebung im Vergleich zum entlasteten Zustand an. Sobald sich ein Verkehrsflugzeug in die Luft erhebt, biegen sich die Tragflächen auch schon um rund einen Meter nach oben.

Grund ist der Auftrieb, der den Flug der Maschine überhaupt erst möglich macht. Die Tragflächen eines jeden Flugzeugs sind immer an der Oberseite stärker gewölbt als an der unteren Seite. Kommt ein Flugzeug aufgrund seiner Triebwerke in Fahrt, entwickeln sich Unterschiede zwischen der Druckverteilung an der Oberseite und an der Unterseite der Tragflächen. Dadurch entsteht der Auftrieb, der das Flugzeug fliegen lässt – und die Flügel etwas nach oben biegt.

Der Auftrieb zerrt an den Tragflächen. Über diese rund einen Meter große Verformung hinaus drücken die Druckzylinder die Tragflächen wieder und wieder bis zu einer Verformung von 2,70 Meter durch. Das entspricht der Belastung bei rauem Wetter, wie sie bei einem kräftigen Herbststurm auftreten kann. Die regelmäßig durchgeführte Verformung stellt aber noch lange nicht den möglichen Maximalwert dar.

Auch diesen kennen die Flugzeughersteller und nähern sich ihm bei den Bruchtests sehr weit an. Bei den Versuchen am Airbus A340 wurden zum Beispiel die Flügel immer stärker verformt. Selbst bei 4,90 Meter war es immer noch zu keinem Bruch und auch keinem sonstigen Schaden gekommen. Rein rechnerisch soll nach Angaben des Flugzeugbauers ein Bruch bei knapp über fünf Metern Verformung erfolgen.

Die während eines Fluges eintretenden Beschleunigungskräfte zum Beispiel durch Turbulenzen wirken aber nicht nur auf die Tragfläche, sondern auf die gesamte Flugzeugkonstruktion. Als Maßeinheit für diese Kräfte dient die Fallbeschleunigung »g«. Bei einem ruhigen Reiseflug an einem schönen Sommertag können Belastungen von 1,3 g auftreten. Wenn das Flugzeug von kräftigen Sturmböen geschüttelt wird und in den Turbulenzen immer wieder durchsackt, sind es um die 1,8 g. In Tests zur statischen Bruchbelastung aber hat der Airbus A340 schon Belastungen von 4,5 g ertragen.

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