14.2 Konstruktion gegen Ermüdung
Es können verschiedene Vorkehrungen getroffen werden, um sicherzustellen, dass ein Flugzeug eine angemessene Ermüdungslebensdauer hat. Wir haben in Kapitel 10 gesehen, dass die frühen Aluminium-Zink-Legierungen zwar hohe Bruch- und Dehnungsspannungen aufwiesen, aber bei Ermüdungsbeanspruchung anfällig für frühzeitiges Versagen waren; daher ist die Wahl der Werkstoffe wichtig. Die natürlich gealterten Aluminium-Kupfer-Legierungen weisen eine gute Ermüdungsbeständigkeit auf, haben aber geringere statische Festigkeiten. Die moderne Forschung konzentriert sich auf Legierungen, die eine hohe Festigkeit mit einer hohen Ermüdungsbeständigkeit kombinieren.
Die Beachtung von Details ist ebenso wichtig. An scharfen Ecken und abrupten Querschnittsänderungen können Spannungskonzentrationen entstehen. An einspringenden Ecken sollten daher Verrundungen vorgesehen werden, und Ausschnitte, wie Fenster und Zugangsklappen, sollten verstärkt werden. Bei bearbeiteten Paneelen sollte die Materialstärke um die Schraubenlöcher herum erhöht werden, während die Löcher in den primären Schraubverbindungen aufgerieben werden sollten, um die Oberflächengüte zu verbessern; Oberflächenkratzer und Maschinenspuren sind Quellen für die Entstehung von Ermüdungsrissen. Knickstellen in hoch beanspruchten Bauteilen sollten vermieden werden, während Asymmetrie zusätzliche Spannungen durch Biegung verursachen kann.
Zusätzlich zu einer soliden Struktur- und Detailkonstruktion ist eine Abschätzung der Anzahl, Häufigkeit und Größe der schwankenden Belastungen erforderlich, denen ein Flugzeug ausgesetzt ist. Das Spektrum der Ermüdungsbelastungen beginnt, wenn das Flugzeug zu seiner Startposition rollt. Während des Rollens kann das Flugzeug mit voller Zuladung über unebenes Gelände manövrieren, so dass z. B. die Beanspruchung der Tragflächen größer ist als im statischen Fall. Auch beim Start und Steigflug sowie beim Sinkflug und bei der Landung ist das Flugzeug den größten Lastschwankungen ausgesetzt. Das Fahrwerk wird ein- und ausgefahren, die Klappen werden hoch- und heruntergefahren, bei der Landung gibt es einen Aufprall, das Flugzeug muss Manöver durchführen und schließlich ist das Flugzeug, wie wir noch sehen werden, einer größeren Anzahl von Böen ausgesetzt als während des Reisefluges.
Die diesen verschiedenen Phasen entsprechenden Belastungen müssen berechnet werden, bevor die zugehörigen Spannungen ermittelt werden können. Beim Start zum Beispiel basieren die Biegespannungen der Tragflächen und die Schubspannungen aufgrund von Scherung und Torsion auf dem Gesamtgewicht des Flugzeugs, einschließlich der vollen Treibstofftanks, und der maximalen Nutzlast, die alle mit 1,2 multipliziert werden, um eine Bodenwelle bei jedem Start auf einer harten Landebahn oder mit 1,5 für einen Start auf Gras zu berücksichtigen. Die im Horizontalflug und bei symmetrischen Flugmanövern auftretenden Belastungen werden mit den in Abschnitt 13.2 beschriebenen Methoden berechnet. Aus diesen Werten lassen sich die Verteilungen von Querkraft, Biegemoment und Drehmoment z. B. im Flügel durch Integration der Auftriebsverteilung ermitteln. Belastungen infolge von Böen werden mit den in Abschnitt 13.4 beschriebenen Methoden berechnet. So ergibt sich der Belastungsfaktor aufgrund einer einzigen äquivalenten scharfkantigen Böe entweder aus Gl. (13.25) oder (13.26).
Obwohl es relativ einfach ist, die Anzahl der Belastungsschwankungen während eines Boden-Luft-Boden-Zyklus zu bestimmen, die durch Standardvorgänge wie das Ausfahren und Einfahren von Klappen oder das Einfahren und Ausfahren des Fahrwerks verursacht werden, ist es schwieriger, die Anzahl und die Größe der Böen abzuschätzen, denen ein Flugzeug ausgesetzt ist. So treten beispielsweise in geringer Höhe (beim Start, Steigflug und Sinkflug) mehr Böen auf als in großer Höhe (während des Reiseflugs). Auch das Gelände (Meer, Flachland, Gebirge) sowie das Wetter beeinflussen die Anzahl und Stärke der Böen. Der Einsatz von Radar ermöglicht es den Flugzeugen, Kumuluswolken zu vermeiden, in denen Böen vorherrschen, hat aber in geringer Höhe im Steig- und Sinkflug, wo Wolken nicht so leicht vermieden werden können, kaum Auswirkungen. Die ESDU (Engineering Sciences Data Unit) hat Böendaten erstellt, die auf Informationen beruhen, die von in Flugzeugen mitgeführten Böenschreibern gesammelt wurden. Diese zeigen in grafischer Form (l10 gegen h-Kurven, h ist die Höhe) die durchschnittliche Flugstrecke in verschiedenen Höhen, bis eine Böe mit einer Geschwindigkeit von mehr als ±3,05 m/s auftritt. Darüber hinaus geben Böenhäufigkeitskurven die Anzahl der Böen einer bestimmten Geschwindigkeit pro 1000 Böen der Geschwindigkeit 3,05 m/s an. Die Kombination beider Datensätze ermöglicht die Berechnung der Böenüberschreitung, d.h. die Anzahl der Böenzyklen mit einer Geschwindigkeit größer oder gleich einer bestimmten Geschwindigkeit pro Flugkilometer.
Da ein Flugzeug während des Rollens-Start-Steigfluges und des Sinkfluges-Stellfluges-Landung den meisten Belastungsschwankungen ausgesetzt ist, während während während des Reisefluges nur wenige Schäden verursacht werden, hängt die Ermüdungslebensdauer eines Flugzeugs nicht von der Anzahl der Flugstunden, sondern von der Anzahl der Flüge ab. Die betrieblichen Anforderungen an Flugzeuge unterscheiden sich jedoch von Klasse zu Klasse. Der Airbus muss eine Lebensdauer ohne Ermüdungsrisse von 24.000 Flügen oder 30.000 Stunden aufweisen, während die wirtschaftliche Reparaturlebensdauer 48.000 Flüge oder 60.000 Stunden beträgt; sein Fahrwerk ist jedoch für eine sichere Lebensdauer von 32.000 Flügen ausgelegt, nach der es ausgetauscht werden muss. Das Fahrwerk der BAe 146, die eine größere Anzahl kürzerer Flüge pro Tag absolviert als der Airbus, ist dagegen für eine rissfreie Lebensdauer von 40.000 Flügen und eine wirtschaftliche Reparaturdauer von 80.000 Flügen ausgelegt. Obwohl es sich bei diesen Zahlen um betriebliche Anforderungen handelt, ist es aufgrund der Natur der Ermüdung unwahrscheinlich, dass alle Flugzeuge eines bestimmten Typs diese Anforderungen erfüllen. Von der Gesamtzahl der Airbus-Flugzeuge erreichen mindestens 90 Prozent diese Werte und 50 Prozent sind besser; es ist klar, dass häufige Inspektionen während der Lebensdauer eines Flugzeugs notwendig sind.