Bruchversuch am Flügel der DG-1000
Wie schon im Artikel über die Bauvorschriften ausführlich beschrieben wurde, ist Teil der Neukonstruktion eines neuen Segelflugzeugmusters unabdingbar der Bruchversuch. Der Konstrukteur hat die geforderte Festigkeit des Flügels errechnet aus den von ihm gewünschten Leistungsdaten wie maximales Gewicht, maximale Geschwindigkeit, Manövergeschwindigkeit etc.
Nun muss in einem Praxistest bewiesen werden, dass der Flügel auch soviel aushält.
Der maximale Lastfall kann aber zum Nachweis nicht ausreichend sein, denn natürlich muss man auch Reserven eingebaut haben. Sonst könnte ja der Flügel bei der kleinesten Überschreitung eines Grenzwertes schon zusammen fallen und dann gäbe es Tote!
Man muss deshalb das erwähnte 1,725-fache der rechnerischen Maximallast nachweisen, diese Last 3 Sekunden lang halten und das Ganze - damit es nicht zu einfach wird - bei einer Temperatur von 54 Grad C. Schließlich kann ja der maximale Lastfall bei einem Flug im Inneren von Australien auftreten.
Und dann wird weiter gezogen bis zum unvermeidlichen Bruch. Ja - jeder Bruchversuch geht "letal" aus - deshalb heißt er auch so - und die Frage ist nur, wann er bricht.
Kommentar eines Abteilungsleiters des DLR
"Was wir hier dem Flügel antun, erlebt er niemals auch nur annähernd in der Praxis!"
Der Bruchversuch für den Flügel unserer neuen DG-1000 war für Freitag, den 14.4.2000 eingeplant.
Klötzle in voller Aktion  |
Er fand wieder bei der DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) in der Außenstelle Stuttgart statt. Dort verfügt man über die notwendigen Einrichtungen - z. Bsp. eine ausreichend hohe Halle mit großer Kranbahn und einem Fundament, welches sich bei den auftretenden Kräften nicht einfach aus dem Boden zieht!
Versuchsleiter war wieder Albert Reiter, von allen "Klötzle" genannt, der mit viel Engagement und Fachkompetenz die Aufgabe erledigte. Er ist sicher der derzeit amtierende "Weltmeister" im Zerbrechen von Segelflugzeugflügeln und hat auch sonst einen äußerst destruktiven Job:
Windkraftflügel oder die riesigen Verstrebungen des angefangenen Super-Zeppelins "Cargo-Lifter" - Klötzle kriegt alles kaputt!
Zuerst wurde eine Temperkammer aufgebaut wegen der notwendigen hohen Temperatur. Die Kammer war oben offen und wurde später mit Wärmeschutzfolie abgedeckt. An den großen Deckenkran war ein "Mobile" gehängt.
Haben Sie so etwas auch als Kind gebastelt? So mit Fischen und Vögeln dran?
Hier hingen die Lastscheren an massiven Stahlbalken und in den Scheren - genau austariert - der Flügel. Allein das Mobile zu konstruieren und zu bauen, ist sicher eine beachtliche Ingenieursleistung, denn die schweren Balken sollen ja keinerlei eigene Kraft auf den Flügel bringen, sondern nur den Zug des Krans gleichmäßig über den Flügel verteilen und das obendrein ungefähr in einem Winkel, wie die Luftkräfte angreifen.
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Gleichzeitig muss das Mobile die voraussichtliche Biegung des Flügels mitmachen können - außen viel stärker als innen - und dabei immer noch die Kräfte in dem Winkel auf den Flügel übertragen, wie auch ungefähr die Luftkräfte einwirken.
Soweit also die Vorbereitung des Versuchs.
Für mich persönlich war das Ganze eher ein spannendes Event. So etwas sieht man ja nicht alle Tage und natürlich wollte ich mir den Bruchversuch des ersten Flugzeugs, an dem ich selbst mitgewirkt hatte, nicht entgehen lassen.
Ich bat meine Frau, zwei Flaschen Sekt zu kaufen und sie in einen neutralen Karton zu packen, damit wir ihn heimlich wieder davon tragen könnten, wenn etwas schief gehen sollte. Aber im Grunde zweifelte ich keine Minute am Erfolg des Experiments.
Am Tag vor dem angesetzten Termin lernte ich meinen Chefkonstrukteur von einer völlig neuen Seite kennen:
"Wilhelm, hast Du Lampenfieber?"
"Ja, nun, es kann doch immer was passieren. Früher ist es doch auch mehrmals erst schief gegangen."
Ach du Schreck! Das kann ja noch heiter werden! Die Zuversicht bekam einen Dämpfer.
Hier noch ein paar Erklärungen zum Ablauf des Versuchs:
Zuerst wird der Flügel in kaltem Zustand auf die Nennlast gezogen. Die Techniker nennen die Last - also die maximal im Flug erreichbare und zulässige Belastung des Flügels - der Einfachheit halber:
"J=1" .
Dieses "J=1" heißt also bei der DG-1000 z. Bsp. 6,4g. Dabei haben Sie als Pilot bestimmt noch nicht Ihre Flächenspitzen beobachtet, denn Sie hätten größte Mühe, Ihren Kopf gerade auf dem Hals zu halten und nicht ohnmächtig zu werden!
Nach einer Belastung bis zu "J=1" - das entspricht einer Zugkraft der Kranbahn von 1440 daN - wird der Flügel wieder entlastet und der Verlauf der Rückbiegung festgehalten. Dieser muss später im warmen Zustand genauso ablaufen, sonst war der Flügel nicht richtig getempert und die weiteren Ergebnisse wären undefiniert.
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Der "Kaltversuch" mit "J=1" war schon passiert, als wir in Stuttgart ankamen.
Die Unterseite der Flügelspitze hatte sich um 2,30 Meter nach oben durchgebogen. Wilhelm Dirks meinte, dass das der Rechnung entspräche, aber können Sie sich das vorstellen:
Bei einem waagerecht am Boden stehenden Flugzeug werden beide Flächen um 2,30 Meter nach oben gedrückt, ohne dass etwas passiert?
Wilhelm meinte aber auch, er habe einen besonders leichten Flügel konstruiert. Das Ergebnis des Versuchs sei deshalb schon etwas ungewiss......
Anschließend hatten wir reichlich Zeit, während der die Temperkammer erst mit Folie überdeckt und dann aufgeheizt wurde. Sensoren und Schreiber an verschiedenen Punkten zeigten der Anstieg der Temperatur, die besonders am Holmstummel nur langsam vor sich ging aufgrund der dort so massiven Konstruktion.
Überhaupt ist der Holmstummel und der Wurzelbereich der Fläche eine besonders sensible Stelle, die beim Bruchversuch oft versagt. Hier werden unglaubliche Kräfte vom Hauptbolzen aufgenommen und über Holmklotz, Gurte und Holmsteg in den Flügel übertragen. Allein auf die Hauptbolzen soll heute eine Kraft von etwa 20 Tonnen (!!!) gebracht werden. Der Holm ist in ein massives Stahlgestell eingesetzt, wird aber nur mit ganz normalen Standard-Hauptbolzen gehalten - wie im Flugzeug. Wenn hier bei der Einleitung der Kräfte in den Flügel abrupte Übergänge gebaut werden, entstehen Lastspitzen und an der Stelle kracht es dann!
Die Zeit vergeht nur langsam. Wir sind ja gar nicht aufgeregt. Nein, wir bleiben ganz cool!
Und dann der Ruf von Herrn Reiter/Klötzle: "Temperatur ist erreicht. Es geht los!"
Jetzt wird es hektisch, denn der Flügel darf nicht wieder abkühlen.
Die Schutzfolie wird von der Kammer herunter gezogen. Die anwesenden Besucher laufen die Treppe zur Besuchertribüne hinauf, um aus sicherer Höhe das Experiment beobachten zu können. Wilhelm Dirks und Swen Lehner stellen sich seitlich neben der Kammer auf in Höhe des Holmstummels, weil sie dort am ehesten ein Versagen erwarten. Ich selbst laufe mit Video- und Digitalkamera um die Kammer herum und versuche, durch die Fenster das Geschehen festzuhalten.
"J=1,725 für 3 Sekunden sind zu erreichen", geht es mir immer wieder durch den Kopf.
Es wird ruhig in der Halle. Niemand spricht mehr ein Wort. Nur Klötzle gibt die Kommandos.
"Versuch läuft"
Der Kranmotor läuft wieder an.
"J=0,5" - der Flügel biegt sich jetzt schon wie in einer schweren Böe.
"J=1 Stopp" Drei Sekunden lang ist gar nichts zu hören und dann läuft der Kran wieder an aber rückwärts.
Nun ja, das hatten wir doch alles schon und wenn es kalt gehalten hat, hält es natürlich auch warm, obwohl der Kunststoff bei Wärme an Festigkeit verliert. Aber spektakulär sah das schon aus! Selbst ein Flügel der Offenen-Klasse biegt sich nicht so stark in Steilkurven wie es unser Flügel eben bei "J=1" getan hat.
Aber wer fliegt schließlich schon mit 6,4 g?!
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Es wird die Rückbiegung des Flügels verglichen mit der im kalten Zustand. Der Assistent an seinen Bildschirmen vergleicht Diagramme und gibt sein "Okay".
"Bruchversuch startet" ruft Klötzle und was jetzt abläuft, können Sie nicht so schnell lesen, wie es passierte. Nach 96 Sekunden war alles vorbei und der Flügel planmäßig zerstört!
Der Kran zieht erneut an. Ich führe meine Videokamera dem vor meinem Auge nach oben ziehenden Winglet nach - "J=0,5" - und fixiere das Stativ, denn hier kann ich nicht stehen bleiben.
"J=1" - jetzt kommen wir in "Neuland" und wenn jetzt etwas brechen würde, könnte es vornehmlich in Längrichtung des Flügels davon fliegen und die Wand dort durchschlagen, wo meine Kamera steht.
"J=1,2" ruft Klötzle und hält den Daumen auf dem Schalter der Kranbahn. Was für ein Bild! Wer hat je solch einen Flügel gesehen und das spielt sich unmittelbar vor mir ab!
Bei "J=1,4" erreicht die Spitze des Winglets die Oberkante des 4,50 Meter hohen Temperkasten und steigt weiter darüber hinaus.
"J=1,5" - Was machen wir hier eigentlich? Das ist doch irgendwie nicht in Ordnung!?
Bei "J=1,6" denke ich nur noch, dass das doch jetzt genug sein muss - niemals wird ein Flügel so belastet und das hält auch keiner aus! Plötzlich ein Knistern und dann ein Knacks. Jetzt geht er kaputt! Ein weiteres Knacken - da reißen Klebenähte auf. Es klappt nicht! Es kann nicht gut gehen! Lass uns noch mal überlegen, ob wir was falsch gemacht haben!
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"J=1,7" - ein lauter Knacks - der Flügel schüttelt sich ein wenig. Oh, Schreck! Hier geht es kaputt, unser schönes neues Flugzeug und ich stehe daneben und sage nichts dazu!
Klötzle hat das Knacken auch gehört und starrt gebannt auf den Flügel. Dabei vergisst er einen Moment lang, die Lasten auszurufen.
"J=1,8" - hat er 1,8 gerufen? Aber das ist ja schon genug! Dann hört doch auf! Es reicht! Drei Sekunden bitte, drei Sekunden! Halt doch mal endlich jemand diesen verd.... Kran an, aber Klötzle, dieser Unmensch hält noch immer den Daumen auf dem Schalter!
"J=1,......." Ein Donnerschlag fährt durch die Halle. Wie eine große Meereswoge läuft eine Welle über den Flügel hinweg und bricht ihn in mehrere Teile. Der schöne Flügel, das war es nun! Wild taumeln die schweren Stahlbalken des Mobile durch die Temperkammer und am meisten schwingt der offensichtlich völlig unbeschädigte Außenflügel in seiner Aufhängung, denn ihn hat es wie mit einem Katapult aus der Holmtasche des Innenflügels geschossen.
Es ist totenstill. Mechanisch stoppe ich meine Kamera und blicke nach oben. Die Zuschauer sehen noch immer wie gebannt auf die Bruchstücke und können noch gar nicht begreifen, was sie eben erlebt haben. Manche stehen direkt am Geländer und andere drücken sich ängstlich ganz hinten an die Wand.
Was ist hier eigentlich abgelaufen? frage ich mich. Ich merke, dass ich im Moment eine Sprachstörung habe, gehe zum Versuchsleiter und bringe nur ein Wort heraus: "Wieviel?"
"Weiß ich nicht", sagt Klötzle, "müssen wir erst genau auswerten. Etwa 1,8 - es reicht jedenfalls."
Es reicht, hat er gesagt? Obwohl alles kaputt ist?
Wilhelm kommt mir entgegen. Er kann offensichtlich auch nicht sprechen und ich drücke ihm stumm die Hand.
Langsam kommt wieder Bewegung in die Anwesenden. Erste Hochrufe und meine Frau holt den Karton mit dem Sekt hervor. Er ist etwas warm geworden und Klötzle fragt ganz verwundert, warum wir ihm den Sekt nicht zum Kühlen gebracht hätten. Er hätte ihn ohne weiteres bis auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff herunter kühlen können -196 Grad C! Kein Problem beim DLR!
Wilhelm geht in den noch immer heißen Temperkasten, lässt den Korken knallen und die Sektfontäne auf die traurigen Reste seines Flügels zischen - eine Art "Wiedergutmachung" für den geschundenen Werkstoff?
Es finden sich auch noch 20 Pappbecher, wie wir sie zum Anrühren von Harz in der Firma verwenden und während Wilhelm den Sekt einschenkt, kommt der Assistent, macht fast eine militärische Meldung und sagt:
"Das Ergebnis des Versuchs ist ein Bruch bei J = 1,95.
Der nachgewiesene Lastfall 3 Sekunden vor dem Bruch ist J = 1,89!
Herzlichen Glückwunsch, Herr Dirks!"
Wilhelm strahlt, denn dies ist das absolut optimale Ergebnis:
10 Prozent Reserve haben wir erreicht und können dafür später noch diverse "Nettigkeiten" in unser Flugzeug einbauen (mehr Wasserballast, größeres Gesamtgewicht o.ä.). Mehr Reserven hätten wir aber auch nicht haben wollen, denn dann wäre der Flügel unnötig schwer und teuer in der Herstellung geworden.
10% - das ist optimal. Besser kann man es nicht machen!
Die nächste Flasche Sekt geht an Swen Lehner, unseren damaligen zweiten Konstrukteur, aber der winkt ab: "Das ist Wilhelms Flügel!"
Dabei hätte Swen auch Grund, stolz zu sein. Er war gerade in Slowenien und hat die Rohbaumontage "seines" Rumpfes der DG-1000 überwacht. Dazu gehört auch ein Belastungstest des Fahrwerks, welches eine ziemlich komplexe Konstruktion ist. Es schwingt so weit nach vorn, dass wir auf das Bugrad verzichten wollen. Es kann aber nicht weiter vorn eingebaut werden, weil dort der hintere Pilot sitzt, und wir waren uns durchaus nicht sicher, ob die Konstruktion so in Ordnung ist.
Das Fahrwerk wurde ebenfalls mit einer massiven Konstruktion aus Stahlbalken mit einem Gewicht von mehreren Tonnen von unten in den Rumpf gedrückt, um einen harten Landestoß zu simulieren. Und es hat gehalten und sich noch nicht einmal verformt. Wir können es so im Flugzeug lassen und damit im Prototypen mit Werknummer 10-001 fliegen. Nur beim Flügel muss solange gezogen werden, bis er bricht. Die anderen Komponenten werden "in Ruhe gelassen", wenn sie ihre Festigkeit bewiesen haben.
Und dann waren noch einige unserer Mitarbeiter da und zeigten stolze Gesichter! Besonders aus der Mannschaft, die den Flügel gebaut hatte, hatten sich einige frei genommen, um diesem Schauspiel beizuwohnen.
Einer sprach meine Frau in der Temperkammer an. Er zeigte ihr den Holmstummel, der ja bekanntlich besonders kritisch ist.
"Den haben wir gebaut. Und jetzt sehen Sie mal: Nicht ein Haarriss ist zu sehen. Er hat komplett gehalten."
Bravo, Leute! Und dieses Lob gilt für alle, die daran mitgearbeitet haben!
Das war exzellente Arbeit, denn schließlich habt Ihr den Prototyp-Flügel in gleicher Qualität gebaut wie die spätere Serie, bei der man aber viel mehr Erfahrung hat.
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Als wir schließlich nach Bielefeld zurück fuhren, meinte meine Frau:
"So etwas erlebt man als normaler Sterblicher auch nicht alle Tage!"
Videoclip
| Bruchversuch am Flügel der |
- friedel weber - 
24 Stunden nach dem "Big Bang"
Belastungstests am Rumpf der DG-1000
Weniger spektakulär als der Flügel-Bruchversuch war der Belastungstest des Rumpfes, der ein volles Jahr später in der großen Temperkammer bei AMS-Flight in Slowenien statt fand. Zufälligerweise machte ich gerade zu der Zeit einen Fliegerurlaub in Lesce und konnte mir so die wichtigsten Versuche ansehen.
Es ging hier nicht darum, etwas zu zerstören sondern vielmehr mussten im Rahmen der Zulassung eine ganze Reihe von Belastungstests gemacht werden in der Art, dass die grössten nach den Bauvorschriften im Betrieb zu erwartenden Beanspruchungen für den Rumpf errechnet wurden ("J=1", Sie wissen schon!) und dann der Rumpf das jeweils eineinhalbfache ertragen können muss, ohne bleibende Verformungen zu behalten.
Um es gleich zu sagen: Alle Tests waren erfolgreich, es ist nichts kaputt gegangen - zumindest nicht am Flugzeug! Besonders bei den Versuchen an der Schleppkupplung wurden Stahlseile und Ringpaare zerrissen und massive Befestigungsflansche von Umlenkrollen verbogen. Die Kräfte, die unser "armer" Rumpf auszuhalten hatte, waren schon enorm.
Um das Ganze nicht zu einfach zu machen, fanden alle Versuche in der aufgeheizten Temperkammer bei 55 Grad C statt! Swen Lehner als unser Ingenieur wie auch die ganze Crew von 5 Leuten von AMS haben mir ehrlich leid getan und die örtliche Mineralwasserfabrik erlebte einen Umsatzboom!
Folgendes haben wir u. a.getestet:
- Voller Seitenruderausschlag bei der Manövergeschwindigkeit (185km/h) J=1 entspricht dabei einer vertikalen Kraft von 90 daN und einer Seitenkraft von 215 daN (Ein Dekanewton - daN - entspricht der Gewichtskraft von einem Kilogramm)
- Überlagerte Seitenruder- und Höhenruderausschlag bei 305km/h - entsprechend VNE + 10% J=1entspricht hier einer vertikalen Kraft von 435 daN und einer Seitenkraft von 105 daN
Bei dieser Belastungen biegt sich schon einiges durch, wenn der Rumpf an seinen Querkraftrohren in ein schweres Stahlgestell fest eingespannt wird. Beachten sie mal die zwei Fotos zwischen "J=0" und "J=1", die vom gleichen Standpunkt aus gemacht wurden. Gezogen wurde aber bei J=1,5 mit 652 daN nach unten und mit 157 daN zur Seite!!!
(Unnötig zu erwähnen, dass volle Ruderausschläge laut Flughandbuch nur bis zur Manövergeschwindigkeit zulässig sind...)
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J=0 | J=1 |
- Maximale Druckbeanspruchung der Seitenflosse
Hierbei wurde bei J=1von oben mit einer Kraft von 551daN auf die Seitenflosse gedrückt - Bei der "normalen" harten Landung nach JAR22 ergibt sich für das Fahrwerk der DG-1000 bei J=1 eine vertikale Kraft nach oben von 1.560 daN, die mit einer Zusatzkraft von vorne von 901 daN kombiniert wird, damit die Resultierende unter 30° zur Senkrechten nach vorne oben wirkt.
- Für die Schiebelandung muss eine vertikale Kraft von 0,5*1.560 daN mit 0,3*1560 daN von der Seite kombiniert werden.
- Dann wurde die Aufhängung der Schwerpunktkupplung "gequält":
Eine Bruchlast von fast 2.300 daN nach vorne bzw. unter 75° nach unten musste sie aushalten, obwohl doch keine Sollbruchstelle stärker ist als 1.000 daN - Ferner wurde auch noch eine reine Seitenkraft erprobt, die bei J=1 einer Kraft von 765 daN entspricht.
Ich habe mich dabei schon gefragt, ob hier die Anforderungen nicht übertrieben werden, aber so sind die Bauvorschriften eben!
Eine ganz wichtige Festigkeitseigenschaft des Fahrwerks muss noch zusätzlich rechnerisch nachgewiesen werden:
Einen Landestoß mit einer Sinkgeschwindigkeit von 1,5 m/sec muss das Fahrwerk "wegstecken" ohne bleibende Verformungen. Schließlich ist ein solchermaßen stabil konstruiertes Fahrwerk der beste Schutz gegen Rückratverletzungen.
Diese Anforderung erfüllt man am besten mit einem möglichst langen Federweg - bestehend aus dem Weg beim Zusammendrücken der Schraubenfedern des Fahrwerks und aus der Höhe des Reifenquerschnitts. Der Reifen wird bei solch einem Stoß nämlich bis auf die Felge platt gedrückt und da es für diese Anforderung auf jeden Millimeter zusätzlichen Federweg ankommt, hat die DG-1000 solch ein großes Hauptrad bekommen mit dem durchaus erwünschten Nebeneffekt, dass der Flieger sehr komfortabel rollt.
Alles in allem war es zwar spannend zuzusehen, aber gleichzeitig auch beruhigend, dass alles gehalten hat. Mit einem zertifizierten Flugzeug nach heutiger Bauvorschrift erhält der Kunde ohne Zweifel ein Gerät, welches auch grobes Fehlverhalten - sei es aus Leichtsinn oder sei es unbeabsichtigt - im allgemeinen klaglos wegsteckt.
Nur lassen Sie sich dadurch bloß nicht dazu verleiten, die Grenzen selbst auszuloten und über die Limits hinaus zu fliegen. Solche Belastungstests und Bruchversuche haben zuletzt auch eine theoretische Komponente. In der Dynamik der Praxis können immer wieder Situationen vorkommen, bei denen eben doch die Lastgrenzen erreicht werden, und das sollte man nicht mutwillig zu erreichen versuchen!
Die Testcrew
.... und schließlich wurde in Bruchsal noch die Kopfstütze getestet.
Sie muss nach neuester Bauvorschrift 135 Kilopond aushalten.