Bereits 2022 führten wir den dynamischen Crashversuch für die Insassensicherheit unseres Mü-32-Rumpfes erfolgreich durch. Im letzten Jahr konnten die dabei gewonnen Daten nun für die Zulassung des Rumpfes verwendet werden.
Das Projekt bestand aus drei Teilaspekten:
- Entwicklung effizienter und zuverlässiger Zulassungsverfahren zur Erhöhung der Crashsicherheit
- Erstellung und Validierung eines Materialmodells für dynamisches Werkstoffverhalten
- Erweiterung der Kompetenzen der Akaflieg München zur Entwicklung von Flugzeugstrukturen sowie zur Durchführung von Strukturversuchen
Erfolgte Arbeiten
Für den Rumpf der Mü 32 wurde eine Crashstruktur entwickelt und gefertigt. Diese besteht aus zwei seitlichen Verstärkungen auf jeder Seite und einem Lagenaufbau in der Nase, welcher für einen frontalen Aufschlag optimiert wurde. Die Verstärkungen, die sogenannten Crashbeams, versteifen das Cockpit und sollen sicherstellen, dass ein Überlebensraum erhalten bleibt. Weiterhin soll der Rumpf umgelenkt werden und in eine Vorwärtsbewegung umwandeln. Die Lagen im Nasenbereich sind abstuft und ermöglichen so eine graduelles Versagen und Energieabbau. Dies wirkt dann wie eine Knautschzone und verringert die auftretenden Beschleunigungen. Als weitere Maßnahme wurden die Spanten für einen Crashfall optimiert.
Die Entwicklung der Struktur erfolgte in enger Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Carbon Composites der TUM. Ein detailliertes FE-Modell diente zur Validierung der Struktur und konnte auf potentielle Schwachstellen hinweisen. Beispielsweise hat sich eine hohe Belastung einer Klebenaht im oberen Nasenteil gezeigt, weshalb hier zusätzlich verstärkt wurde.
Der Full-Scale-Crashtest wurde zusammen mit den Projektpartnern aus Hannover im Sommer 2022 in der Flugwerft Oberschleißheim durchgeführt, welche aufgrund der Nähe und den lokalen Bedingungen ideal für unser Vorhaben war.
Zur Realisierung der gewünschten Aufschlagsparametern von 45° und 5° Schiebewinkel wurde eine Stahlkonstruktion entworfen. Diese ersetzt außerdem die Flügel- und Leitwerkmassen ohne störende aerodynmische Effekte. Der Versuchsträger wurde in von einem Kran über eine abgespannte Traverse gehalten und von einem zweiten Kran ausgelenkt. Durch eine passende Wahl der Höhe der Aufhängungen oder der Seillängen kann die Aufschlagsenergie bestimmt werden. Der Versuchsaufbau ähnelt insgesamt also einem zu tief hängendem Pendel. Die zu erreichenden Lasten orientieren sich an den geltenden Zulassungsvorschriften und sollen ein typisches Szenario eines Absturzes abbilden. Die Belastung sollte dabei möglichst groß sein, ohne aber in einen Bereich zu kommen, bei dem ein Überleben unter keinen Umständen mehr möglich ist.
Mit dem Ausklinken schwang der Rumpf nach unten und schlug zuerst mit der Nase auf. Dabei war des Eindrücken der Nase zu beobachten. Danach war dieser nochmals kurzzeit vollständig in der Luft, nur um danach nochmals mit der Unterseite über die komplette Länge aufzuschlagen. Dabei kam es zu den höchsten Belastungen auf den Piloten und starken Schäden, besonders im unkritischem hinteren Rumpfteil. Darauf ging der Rumpf in eine Vorwärtsbewegung über und gleitete auf dem Aspalt ab. Zwar ist Asphalt als Untergrund bei einem Absturz unwahrscheinlich, aber ein Kompromiss an Durchführbarkeit und Vergleichbarkeit mit den Simulationen.
Der Astir der Akaflieg Hannover mit seinem nachrüstbaren Sicherheitscockpit konnte zusammen mit unserem Versuchsträger erfolgreich getestet werden. Für weitere Infos zum Projekt NaSiCo der Akaflieg und Universität Hannover wird auf die entsprechenden Veröffentlichungen der Projektpartner verwiesen.
Die Auswertung
Der Versuchsträger wurde umfangreich instrumentiert, um ein möglichst umfassendes Bild der Kinematik zu bekommen. Dies umfasst Drehraten- und Beschleunigungssensoren im Rumpf und einen „H3 50th Percentile Male“-Dummy als Pilot. Zusammen mit Gurtkraftsensoren kann damit eine Aussage über die erwarteten Verletzungen getroffen werden. Von außen wurde der Versuch durch mehrere Hochgeschwindigkeitskameras und eine System zur DIC verfolgt. Der Versuch konnte am Ende auch ohne größere Problemen durchgeführt werden. Wir bedanken uns bei den vielen Unterstützern für ihre Beiträge zu diese Projekt.
Im Anschluss konnten wir aus den gewonnenen Daten die Forschungsziele überprüfen. Das erwartete Versagensverhalten im Nasenbereich wurde bestätigt. Im Versuchsrumpf, der aktuell als Ausstellungsstück auf unseren Messeständen verwendet wird, ist diese gut zu erkennen.
Aus den Messdaten der Dummy-Sensorik können verschiedene Verletzungskriterien berechnet werden. Die meisten üblichen Werte sind in unserem Szenario unkritisch. Nur der Lumbar Load Criterion für die Lendenwirbelsäule ist kritisch, dies stimmt auch mit den Verletzungen überein, welchen bei ähnlichen Abstürzen beobachtet wurden. Mit einem Kissen, wie es von vielen Piloten verwendet wird, könnte dieser Wert verbessert werden. Auch die Knöchel sind hohen Belastungen ausgesetzt, welches ebenfalls erwartet wurde. Die Simulationen stimmen ebenfalls gut mit den experimentellen Daten überein. Damit konnte das Projekt 2024 vollständig erfolgreich beendet werden.
Weitere Schritte
Die Daten des Crashversuchs konnten auch im Zulassungsprozess für den Rumpf der Mü 32 erfolgreich verwendet werden. Damit wurde ein wichtiger Beitrag hin zu einer Entwicklung nahe an realen Bedingungen geleistet. Seitdem liegt der Fokus der Akaflieg München auf der Zulassung des Flügels, wobei die Erfahrungen aus dem Crahstest in den Belastungsversuch mit einfließen.
Autor: Clemens „Lötlurch“ Lippmann