Warum hat sich im Flugzeugbau Aluminium statt Stahl durchgesetzt?

Sie haben Recht, auf den ersten Blick ist es eigentlich überraschend, dass sich Aluminium durchgesetzt hat. Es bringt einige Nachteile mit sich:

• Risswachstum muss in dieser Liste an erster Stelle stehen. Bei nur geringer zyklischer Belastung wachsen Risse im Aluminium unaufhaltsam. Dies erfordert häufige Kontrollen und hat viele Unfälle verursacht . Zum Glück für Aluminium wurde diese Tatsache erst nach dem Zweiten Weltkrieg entdeckt, als die Lebensdauer von Flugzeugzellen aus Aluminium von Dutzenden auf Tausende von Stunden in die Höhe schoss, sodass Aluminium bereits fest als wichtigstes Konstruktionsmaterial etabliert war.
• Zur Verbindung zweier Aluminiumteile steht nur Nieten oder Verschrauben zur Verfügung . In letzter Zeit ist auch das Bonden praktikabel geworden. Stahl bietet eine dritte Wahl beim Schweißen, was ihm den Vorteil im Fahrzeugbau verschafft. Auch hier verschaffte die Geschichte Aluminium einen Vorsprung, denn als die ersten Flugzeugzellen aus Metall konstruiert wurden, war das Schweißen noch relativ wenig entwickelt, sodass die Beschränkung auf das Nieten nicht als Nachteil empfunden wurde.
• Korrosion: Hier ist es im Allgemeinen besser als Stahl, aber weitaus schlechter als Edelstahl, der (neben Maraging-Stählen ) der Hauptkandidat für Flugzeugzellen wäre, wenn Aluminium nicht verfügbar wäre. Während der Berliner Luftbrücke durften Salz oder Backpulver nur mit Wasserflugzeugen transportiert werden, weil sie die Landflugzeuge nachhaltig beschädigt hätten. Wasserflugzeuge verwendeten spezielle, korrosionsbeständige Legierungen , die in der Meeresumwelt benötigt wurden.

Am Ende überwiegt aber immer noch der Hauptvorteil von Aluminium: Seine geringe Dichte. Dadurch können bei gleichem Gewicht dickere Dicken verwendet werden, sodass die Knickfestigkeit von Aluminiumhäuten weitaus besser ist als die von gleich schweren Stahlhäuten. In der Luftfahrt machen die Anforderungen der Aerodynamik die Verwendung von Kräuselungen oder Verstärkungsnähten unmöglich, und nur das arbeitsintensive Hinzufügen von eng beieinander liegenden Versteifungen könnte Abhilfe schaffen. Eine derart versteifte Stahlhaut wäre aber immer noch unterlegen, wenn es um Hagelschäden oder den Umgang mit Lasten geht, also war Aluminium die offensichtliche erste Wahl.

Um die Materialkosten niedrig zu halten, baute Junkers seine ersten Metallflugzeuge aus Stahl, musste aber auf gewelltes Aluminium umsteigen, um sie leicht genug zu machen. Beachten Sie, dass die strukturelle Integrität seiner Entwürfe durch ein Stahlfachwerk gewährleistet wurde und nur die Abdeckung aus gewelltem Aluminium bestand. Spätere Konstruktionen mit gestresster Haut machten das Stahlfachwerk überflüssig.

Um die Festigkeit und Steifigkeit verschiedener Materialien unabhängig von ihrer Dichte zu vergleichen, können Sie ihre Bruchlänge und ihren spezifischen Modul verwenden, die als Dehnungslänge ausgedrückt werden können. Überraschenderweise haben die meisten Strukturmetalle einen vergleichbaren Wert und nur Verbundwerkstoffe können sich abheben.

Trotz seiner fiesen Versagenseigenschaften hat Aluminium seine Position als dominierender Konstruktionswerkstoff verteidigt: Bis zur Entwicklung von Verbundwerkstoffen hatten die Ingenieure und Zertifizierungsbehörden den Umgang mit Aluminium gelernt und mit einer Vielzahl von Tests eine Eintrittsbarriere geschaffen und zugelassene Konstruktionstechniken, die Verbundwerkstoffe stark schädigten. Wenn alle Materialien, die wir heute kennen, vor einem Jahrhundert verfügbar gewesen wären, wären Flugzeuge aus Aluminium eine Kuriosität geworden, nicht die Norm.

Gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Herstellbarkeit und Korrosionsbeständigkeit waren die treibenden Faktoren für die Verwendung von Aluminiumlegierungen. Stähle werden jedoch in hochfesten Anwendungen wie dem Fahrwerk verwendet. Rostfreie Stähle wurden in einigen Flugzeugzellen wie der MiG-25 wegen ihrer höheren Streckgrenze beim Erhitzen verwendet.

Es kommt wirklich auf Kosten/Nutzen an.

Betrachten wir zwei Flugzeuge, die aus Edelstahl gebaut wurden und sehr gut funktionierten: die XB-70 und die X15 . Edelstahl wurde verwendet, um der Hitze eines Fluges von Mach 3+ zu widerstehen, die Aluminium bis zu einem Bruchpunkt schwächen würde. Als die XB70 ursprünglich entworfen wurde, war Titan nicht in ausreichender Menge verfügbar, um eine große Produktionsserie (über 100 Flugzeugzellen) in Betracht zu ziehen.

Der X15 erreichte eine Geschwindigkeit von Mach 6,7, bei der die Hauttemperatur ziemlich hoch wäre. Es war jedoch ein reines Forschungsflugzeug mit Raketenantrieb, daher bildet es keinen angemessenen Kontrast, und diese Geschwindigkeit wurde nur kurz beibehalten.

In den frühen 1960er Jahren war Titan in ausreichender Menge verfügbar (allerdings durch den Einsatz von Briefkastenfirmen, um es von den Sowjets zu kaufen), um den kleineren und weniger produzierten A12/SR71 zu bauen. Wie der XB-70 wurde er entwickelt, um Mach 3+ über eine Stunde lang auszuhalten und die anschließenden hohen Hauttemperaturen, die die Verwendung von Aluminium ausschließen.

Das wichtigste Problem, das hier zu verstehen ist, ist ein anhaltender Mach-3-Flug: über eine Stunde lang. Aluminium-Abfangjäger wie der MIG25 haben eine kurze Mach-3-Dash-Fähigkeit von fünf oder zehn Minuten, bei der die Hauttemperatur nicht so stark ansteigt. Nach zehn Minuten bei Mach 3 hat die MIG25 nur noch sehr wenig Treibstoff und ihre Motoren sind ruiniert.

Um das Gewicht niedrig zu halten, verwendete die XB70 ein komplexes Wabendesign, das teuer in der Herstellung ist, und das resultierende Flugzeug war immer noch schwerer als ein Aluminiumflugzeug ähnlicher Größe. Der XB70 machte dies wett, indem er den Kompressionshub verwendete – buchstäblich auf seiner eigenen Überschall-Stoßwelle reitend – für einen sehr effizienten Mach-3-Flug. Der A12/SR71 nutzte die Stoßwelle in seinen Triebwerken, um einen ähnlichen Wirkungsgrad zu erreichen.

Beachten Sie, dass die B-58 ebenfalls eine Wabenkonstruktion verwendete, um das Gewicht niedrig zu halten, aber aus Aluminium hergestellt wurde, da ihre Konstruktionsgeschwindigkeit Mach 2 betrug. Die Concorde wurde aus Aluminium hergestellt, aber sie fuhr mit Mach 2,2. Jenseits dieser Geschwindigkeit steigt die durch Hautreibung erzeugte Wärme dramatisch auf ein Niveau, bei dem Aluminium kritisch (und tödlich) geschwächt würde.

Vermutlich würde auch ein Verkehrsflugzeug aus Edelstahl das komplexe Wabendesign benötigen, um ein halbwegs effizientes Gewicht zu erreichen. Es wäre immer noch nicht so effizient wie ein Flugzeug aus Aluminium. Da der Hauptgrund, kein Aluminium zu verwenden, darin bestand, anhaltender Mach-3-Hitze zu widerstehen, einer Geschwindigkeit, die nur der SR71 und der XB70 über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten können, sind die zusätzlichen Kosten von Wabenstahl (oder Titan) und das höhere Gewicht nicht wirklich gerechtfertigt für ein Unterschallflugzeug.

Die XB-70 wurde gestrichen, da angenommen wurde, dass sie für die von den Sowjets entwickelte SAM2-Rakete anfällig ist. Ironischerweise hat der SR71 bewiesen, dass dies nicht der Fall ist: Er wurde über 1000 Mal beschossen (darunter viele SAM2) und wurde nie getroffen.

Ja, man kann ein Flugzeug aus Edelstahl bauen. Aber die Wabenkonstruktion ist teuer und das Ergebnis weniger effizient als ein Flugzeug aus Aluminium. Der einzige Grund, warum Stahl in diesen beiden Flugzeugen verwendet wurde, bestand darin, sehr hohen Außenhauttemperaturen standzuhalten. Sie könnten einen aus Titan bauen, und es wäre noch teurer.

Obwohl Flugzeugzellen aufgrund von Aluminiumermüdung ausgefallen sind, wurden Gegenmaßnahmen entwickelt, die weitaus kostengünstiger und leichter sind als die Umstellung auf Edelstahl.

Aluminium hat ein schlechteres Ermüdungsverhalten als Stahl, aber es hat zwei wichtige Vorteile: Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und Korrosionsbeständigkeit. Am Anfang der Luftfahrt gab es einige Flugzeuge aus Stahl. Einige der Motoren dieser Zeit hatten auch Gusseisenblöcke. Aber das resultierende Gewicht war schrecklich. Was die Korrosionsbeständigkeit betrifft, überzeugen Sie sich selbst: Sie sehen immer noch 45 Jahre alte Boeing 727 auf Flughäfen, deren Flugzeugzellen wie neu glänzen!