Warum werden geodätische Flugzeugzellen nicht mehr hergestellt?

Geodätische (manchmal auch geodätisch geschriebene) Konstruktionen wurden in der Luftfahrt bereits 1909 im Luftschiff Schütte-Lanz SL1 verwendet . Es hatte eine Holzkonstruktion mit Stoffbespannung, und Professor Johann Schütte, der wissenschaftliche Leiter dieses Entwurfs, verwendete die denkbar effizienteste Methode. Die Planung der Form aller Strukturelemente war jedoch ein enormer Arbeitsaufwand, und die Verlängerung eines bestehenden Schiffs durch Einfügen eines neuen Abschnitts war fast unmöglich. Aus diesen Gründen verwendeten die späten Schütte-Lanz-Luftschiffe Aluminiumrahmen mit konventionellem Design, genau wie Zeppelin von Anfang an. Zur Aufnahme von Querlasten wurde eine Diagonaldrahtverspannung verwendet.

Geodätische Rahmen können sowohl Biege- als auch Scherlasten gut übertragen. Dies ist hilfreich, wenn die aerodynamische Bespannung nicht steif genug ist, um eine Schersteifigkeit beizutragen, wie im Fall einer Gewebebespannung. Wenn die Haut jedoch aus dem gleichen Material wie der Rahmen besteht, kann sie Scherlasten tragen, und ein geodätischer Rahmen würde die Situation nicht verbessern. Jetzt ist es besser, Längslasten in Längsträgern zu tragen und in der Haut zu scheren.

Aber geodätische Konstruktionen sind nicht tot. CAD macht den Konstruktionsaufwand überschaubar und verschafft in manchen Fällen einen Gewichtsvorteil. Schauen Sie sich das Gehäuse des EJ200-Motors an : Es verwendet eine geodätische Verstärkung, um das Gehäuse leicht und stark zu machen und schädliche Vibrationen zu verhindern. Letztendlich ist ein Strahltriebwerksgehäuse ein großer Druckbehälter und muss stark, steif und leicht sein.

^{Foto von Julian Herzog, CC-BY}

Der Wechsel von Innenrahmen zu Strukturhaut-Flugzeugzellen – genannt Monocoque -Bauweise – ist in Wikipedia ziemlich gut beschrieben :

Frühe Flugzeuge wurden unter Verwendung von Innenrahmen konstruiert, typischerweise aus Holz- oder Stahlrohren, die dann mit Stoff 3 wie irischem Leinen oder Baumwolle überzogen (oder mit einer Haut versehen) wurden. Die Haut trug nichts zur strukturellen Festigkeit der Flugzeugzelle bei und war im Wesentlichen Eigengewicht, abgesehen davon, dass sie eine glatte, versiegelte Oberfläche bereitstellte. Da die Flugzeugzelle als Ganzes und nicht nur als Summe ihrer Teile betrachtet wurde, war es sinnvoll, eine Monocoque-Struktur zu übernehmen, und es dauerte nicht lange, bis verschiedene Unternehmen Praktiken aus der Bootsindustrie übernahmen, wie z. B. das Laminieren dünner Holzstreifen

Davon abgesehen produzieren wir immer noch Schlauch- und Stoffflugzeuge, insbesondere Heckschlepper, die auf klassischen Designs basieren, wie dieser amerikanische Champion Citabria und dieser Super Cub :

Es begann, als die übliche Bauweise ein Stahlrohrrahmen war, an dem hölzerne Spanten angebracht waren, um die Haut zu tragen. Frühe geodätische Flugzeuge waren noch mit Stoff bedeckt, aber die gesamte Flugzeugzellenstruktur befand sich jetzt in der Haut, wodurch der Innenraum für Nutzlast wie Personen oder Kampfmittel offen blieb. Es war viel leichter und stärker, obwohl es patentiert war, und viele Hersteller wollen einfach nicht so viel von ihrem Flugzeug nach den Ideen von jemand anderem in Lizenz bauen.

Als Metallhäute verwendet wurden, war dies nicht die einzige Monocoque-Option, obwohl sie den üblichen orthogonalen Strukturen immer noch überlegen war. Allerdings noch teurer.

"Geodätisch" sollte sich auf das Gebiet der Mathematik selbst beziehen. Geodätische Anwendungen davon funktionieren für Raumrahmenstrukturen oder die Kartierung eines Globus usw.

Geodätische Flugzeugzellen sind nützlich für speziell angefertigte Staubwedel, die aus 4130-Edelstahlrohren gebaut sind. Die Chemikalien an Bord könnten leicht mit Aluminium reagieren, das immer noch für Hautplatten, aber nicht als Strukturelement verwendet wird: Die Hautplatten dienen nur der Abdeckung, nicht der Aufnahme von Hauptlasten. Die Bauweise ist einer der Gründe, warum sie mit der eckigen Cockpitform und allem anders aussehen als alle anderen Flugzeuge.

Abgesehen davon hat die Monocoque-Konstruktion die geodätische Rahmenkonstruktion vollständig abgelöst - wenn die Hautplatten die Hauptlastträger sind, ist die Flugzeugzelle leichter.

Wie bereits in anderen Antworten erwähnt, bestand die Hauptattraktion der geodätischen Rahmung darin, eine leichtere und stärkere Struktur als die interne Rahmung bereitzustellen, mit dem nicht unerheblichen Vorteil, viel mehr Innenraum für Treibstoff und Nutzlast zu lassen. Der geodätische Rahmen könnte direkt eine Stoffhaut in einer stromlinienförmigen Form tragen, anstatt das Hinzufügen von (schwerem) Lehrgerüst nur zum Tragen der Haut zu erfordern.

Einige moderne Flugzeuge werden immer noch in Rahmen- und Stoffweise gebaut, wie der Aviat Husky, obwohl die meisten eher eine allgemeinere "Space Frame" -Konstruktion als eine geodätische Rahmung verwenden. Dies sind fast überall Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt, die hauptsächlich für VFR-Flüge ausgelegt sind.

Ein allgemeiner Nachteil von Flugzeugen mit Stoffhaut besteht darin, dass sie die Druckbeaufschlagung der Kabine nicht leicht unterstützen. Es wäre notwendig, einen zweiten Innendruckkörper zu installieren, um eine ausreichende Luftdichtung aufrechtzuerhalten. Obwohl dies nicht besonders schwierig zu erreichen wäre, verringert es den Hauptvorteil des geodätischen Rahmens im Zusammenhang mit Flugzeugen, die dafür ausgelegt sind, regelmäßig über etwa FL120 zu fliegen (wo die meisten Menschen beginnen, eine schwächende Hypoxie zu erfahren), ohne Sauerstoff für jeden Insassen mitzuführen für die gesamte Reiseflugphase des Fluges.

Stattdessen sind Flugzeuge mit Metallhaut und Verbundwerkstoffen typischerweise so konstruiert, dass die Haut die Druckkabine sowie die aerodynamische Oberfläche bildet und auch einige der strukturellen Lasten trägt, so dass weniger interne Rahmen erforderlich sind.

Ein Bereich, in dem geodätische Flugzeugzellen in letzter Zeit ein Wiederaufleben erlebt haben, sind 3-D-gedruckte Modellflugzeuge.

Ich habe ein Beispiel gesehen, bei dem der Rumpf, die Flügel und die Leitwerksflächen alle aus einer offenen geodätischen Konstruktion bestanden, ähnlich der bekannten Vickers "Wellington". Das Modell wurde mit einer wärmegeschrumpften Kunststofffolie wie Monokote bedeckt.

Hier ist eine Website mit vielen Beispielen für solche Modelle – https://www.3dprintedrcplanes.com/

Dieser Link beschreibt den Prozess des Entwerfens und 3D-Druckens von doppelwandigen Strukturen für Modellflugzeuge mit einer internen geodätischen Struktur zwischen der Innen- und Außenwand – https://www.rc3dprint.com/post/3d-printing- geodätische interne Struktur

Sie WERDEN noch produziert. Siehe zum Beispiel das EU-Forschungsprojekt von 2013 hier: http://www.transport-research.info/project/advanced-lattice-structures-composite-airframes