Mikrosensoren heben ab

  • 11. January 2019

Mikrosystemsensoren beweisen ihre Tauglichkeit bei Flugversuchen.

Um Flugzeuge immer leichter und emissions­ärmer zu machen, ist unter anderem eine genaue Kenntnis der im Flug auf­tretenden Lasten und Drücke und deren Verteilung auf die einzelnen Flugzeug­komponenten erforderlich. Das Verfahren zur Bestimmung der Lasten ist für eine Zertifizierung unab­dingbar und erfolgt nach langer und auf­wändiger Vor­bereitung im Flug­versuch. Im Projekt KonTeKst (Konfigurationen und Technologien für das emissions- und lärm­arme Kurz­strecken­flug­zeug) hat das Deutsche Zentrum für Luft und Raum­fahrt (DLR) ein Sensor­system entwickelt, das kosten­günstig die Druck­verteilung um eine Trag­fläche genau messen und so die Lasten im Flug bestimmen kann.

Abb.: Für die Messung der Druck­verteilung wurden je 32 Sensoren an der Ober- und Unter­seite des Flügel­handschuhs integriert. (Bild: DLR)

Abb.: Für die Messung der Druck­verteilung wurden je 32 Sensoren an der Ober- und Unter­seite des Flügel­handschuhs integriert. (Bild: DLR)

„Beim Design von neuen Flugzeugen werden mittels Simulation verschiedener Belastungs­fälle die auftretenden Kräfte und Momente bestimmt und die einzelnen Bauteile ent­sprechend ausgelegt“, erklärt Christian Raab vom DLR-Institut für Flug­system­technik. „Im Flug­versuch muss dann nach­gewiesen werden, dass die Simulations­modelle eine hinreichende Genauig­keit auf­weisen und die gemessenen Bau­teil­lasten bei ausgewählten Manövern nicht über­schritten werden.“ Die Messung der auftretenden Kräfte und Momente erfolgt bisher mit Dehnungs­mess­streifen (DMS). Für den Flug­versuch mussten die Streifen aufwändig innerhalb von Flügel, Rumpf und Leit­werk auf­geklebt, elektrisch verbunden und kalibriert werden.

Die neue, am DLR-Institut für Aero­dynamik und Strömungs­technik entwickelte Mess­technik mit Mikro­system­sensoren (MEMS) kann den Aufwand für die Zulassungs­versuche erheblich reduzieren. In Flug­versuchen mit dem DLR-Segelflugzeug Discus-2c wurde dieses System erprobt. Der Discus-2c des DLR wird als Referenz für die Ermittlung der Flug­leistung von anderen Segel­flug­zeug­modellen genutzt und ist auch für andere Mess­aufgaben ausgerüstet. Daher wurden bereits beim Bau innerhalb der Struktur an ausgewählten Stellen Dehnungs­mess­streifen integriert. In der Vergangen­heit führten die Wissen­schaftler am Institut für Flug­system­technik bereits eine umfang­reiche Kalibration dieser Mess­streifen durch, sodass sich an sechs Stationen der Trag­fläche Biege­moment, Quer­kraft und Torsion bestimmen lassen. Dies lässt einen genauen Vergleich der Daten der bisherigen und der neuen Technik zu. Die Daten aus den Flug­versuchen werden am Institut für Flug­system­technik ausgewertet, um damit vorhandene Simulations­modelle zu verbessern.

Für die Flugversuche im Projekt KonTeKst integrierten Forscher am DLR die nur fünf Quadrat­milli­meter großen MEMS-Druck­sensoren, die beispiels­weise auch in Smart­phones oder Tablets ein­gesetzt werden und weniger als einen Euro pro Stück kosten, in eine bieg­bare Schaltungs­platine. So entstanden vier Sensor­streifen mit jeweils 16 Druck­sensoren. Diese Streifen wurden in einen dünnen Hand­schuh eingeklebt, der entsprechend mit Bohrungen für die lokale Messung der Drücke versehen wurde. Der Sensor­handschuh kann auf die Trag­fläche aufgezogen und nach den Versuchen wieder ab­genommen werden, ohne dass Teile an der Struktur verbleiben müssten.

Um die Sensoren auf Herz und Nieren testen zu können, wurden Flug­manöver mit wechselnden Belastungs­fällen durchgeführt. Die um das Trag­flächen­profil gemessene Druck­verteilung wird derzeit im Detail ausgewertet und mit den Ergebnissen der Dehnungs­mess­streifen verglichen. „Wir können jetzt nach den ersten Begutachtungen der Daten schon sagen, dass die MEMS-Technik in allen Manövern die gleichen Ergebnisse hervor­gebracht hat wie die Dehnungs­mess­streifen“, freut sich Raab über den Erfolg.

„Da sich die dabei gewonnenen Erkenntnisse auch auf größere Flugzeug­typen über­tragen lassen, haben wir mit dieser Art der Druck­messung eine weniger aufwändige und erheblich günstigere Variante für die Erprobung zukünftiger Leicht­bau­strukturen gefunden.“ Das MEMS-Mess­system wird vom DLR-Institut für Aero­dynamik und Strömungs­technik nun weiter verbessert, um zukünftige Versuche mit verschiedenen Aufgaben und extremen Umgebungs­bedingungen zu ermöglichen. Erste Versuche in einem anderen Höhen- und Geschwindig­keits­bereich sind mit der neuen MEMS-Technik auf dem neuen DLR-Flugversuchsträger iSTAR geplant.

DLR / DE

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