Intelligente Muskelspiele mit 350 bar
Aller Elektronik zum Trotz: Die Zeiten der Hydraulik im Flugzeugbau sind noch lange nicht vorbei. Ihre Aufgaben reichen in Verkehrsflugzeugen von der Betätigung der Fahrwerke bis hin zur Flugsteuerung. Im Super-Airbus A 380 beispielsweise kommen so genannte elektrohydrostatische Aktuatoren zum Einsatz.
Der aktuelle Stand der Hydraulik in der Luftfahrzeugtechnik: Im Jahr 2006 führte Liebherr Aerospace im A 380 zusätzlich zur konventionellen Elektrohydraulik elektrohydrostatische Antriebe ein. Kennzeichnend daran ist, dass die Hydrostatik nicht über hydraulische Leitungen versorgt wird, es reicht vielmehr ein elektrischer Leistungsanschluss. Das Betätigen der Steuerflächen geschieht direkt an Ort und Stelle über eine Kombination von Leistungselektronik, Elektromotor und Hydraulik-Pumpe, bei dem das geförderte Fluid einen Hydraulikzylinder bewegt. Dank dieser neuen Technik konnte beim A380 ein komplettes Hydrauliksystem mitsamt Reservoir, Pumpen, Leitungen etc. entfallen.
Zu einer der wichtigsten Anforderungen an hydraulische Antriebe und Steuerungen für Flugzeuge zählt die Sicherheit. Die große Herausforderung besteht für System- und Komponentenhersteller darin, für eine extrem geringe Ausfallwahrscheinlichkeit zu sorgen. So darf beispielsweise ein Seitenrudersystem mit einer Wahrscheinlichkeit von eins zu einer Milliarde je Flugstunde nicht ausfallen.
Um dies realisieren zu können, müssen die Ausfallwahrscheinlichkeiten der beteiligten Elemente wie Energieversorgung, Signalversorgung und Aktuator berücksichtigt werden. In Summe ergibt sich die Notwendigkeit, drei unabhängige Systeme für Energieversorgung (Hydraulik oder Elektrik), Signalversorgung (Rechnersysteme) und Aktuatorik einsetzen zu müssen, um die geforderte Sicherheit am genannten Beispiel des Ruderstellantriebes zu erreichen.
Doch wie werden in einem Verkehrsflugzeug drei unabhängige Hydrauliksysteme versorgt, wenn es, wie heute üblich, nur zwei Triebwerke besitzt? Beispiel Boeing 777: Jeweils ein Triebwerk versorgt über eine hydraulische Pumpe (und eine zusätzliche elektrisch angetriebene Motorpumpe) das jeweilige Hydrauliksysteme.Um das dritte Hydrauliksystem mit Energie zu versorgen, ließ sich Boeing etwas einfallen. Der amerikanische Flugzeughersteller „zapft“ unter anderem die beiden Triebwerke und eine zusätzliche Versorgungseinheit, die sog. Auxiliary Power Unit im wahrsten Sinne des Wortes an, in dem er ihnen sogenannte „Zapfluft“ entnimmt. Ein Pneumatiksystem treibt mit der Zapfluft zwei pneumatisch betriebene Hydraulikpumpen an.
Was passiert aber, wenn alle Triebwerke ausfallen, z.B. wenn der Treibstoff ausgeht? Dazu ein Blick auf die A 380 mit ihren vier Triebwerken. Acht Pumpen an den vier Triebwerken versorgen üblicherweise jeweils das sogenannte grüne beziehungsweise gelbe System mit Energie. Bei dem Extrembeispiel Treibstoffausfall fährt die sogenannte Ram-Air-Turbine aus, ein durch den Luftstrom angetriebener Propeller, der Strom für die zwei elektrischen Systeme generiert. Mit diesen zwei Systemen lassen sich alle wichtigen Funktionen versorgen, denn die A 380 kann rein elektrisch, also komplett ohne Hydraulik fliegen (in diesem Fall gleiten), jedoch mit reduzierter Leistungsfähigkeit.
Zur hydraulischen Systemtechnik: Vom Flugregelungsrechner angesteuerte Servoventile regeln die Position der Aktuatoren, die dann die Steuerflächen betätigen. Positionssensoren im Aktuator melden die aktuelle Position an den Flugregelungsrechner und schließen so die Regelstrecke.
Die Systeme sind mehrfach redundant ausgelegt. Wenn ein Aktuator im System ausfällt, wird der Aktuator über ein Ventil in einen dämpfenden Zustand geschaltet, die anderen, parallel arbeitenden Aktuatoren erfüllen die Steuerungsaufgabe ohne Einschränkungen.
Die sichere Arbeitsweise steht und fällt mit den hydraulischen Aktuatoren, die sich dadurch auszeichnen, dass sie extrem selten blockieren. Für die A 380 entstanden nun bei Liebherr Aerospace in Lindenberg als Weiterentwicklung elektrohydrostatische Aktuatoren (EHA). An die Stelle eines Servoventils tritt hier eine elektrische Motor- Pumpeneinheit mit zugehöriger hochkomplexer Leistungselektronik. Die Drehzahl des Motors steht in linearem Zusammenhang zum Volumenstrom der Pumpe, der die Position des Kolbens bestimmt.
Als Nachteil werden mögliche Leckagen angesehen, die im Langzeiteinsatz zu einem Leerlaufen des Ölspeichers und damit einem Ausfall des Antriebes führen könnten. Als Alternative setzt Liebherr auf EHAs mit Backup-System (EBHA), das den wahlweisen Betrieb über Servoventil und über die Motor-Pumpeneinheit erlaubt. Es handelt sich zwar dabei um ein sehr komplexes Gerät, das aber ein erheblich verringertes Ausfallrisiko durch Leckagen aufweist. Das System arbeitet in der A 380 sehr zuverlässig.
Aber die Fachleute verwirklichen auch elektromechanische Lösungen. Zwei Beispiele: Eine interessante Entwicklung in Sachen Antriebstechnik bahnt sich etwa bei kleinen, unbemannten Flugzeugen an: Sie werden nicht mit hydraulischen Systemen ausgerüstet. So hat Liebherr für das unbemannte Flugzeug Barracuda von EADS ein rein elektromechanisches Betätigungssystem entwickelt. Weil das Flugzeug ohne Pilot fliegt, fallen die Anforderungen an die Sicherheit übrigens niedriger aus.
Eine andere elektromechanische Lösung wurde für das Betankungssystem einer A 310 realisiert: Der am Heck des Flugzeuges befestigte, ausfahrbare Tankrüssel wird über zwei Steuerflächen aerodynamisch kontrolliert. Ein elektromechanischer Aktuator übernimmt dabei das Steuern. Zwei 4,2-Kilowatt-Motoren treiben das aktiv geregelte System an. Bei Totalausfall wird der Tankrüssel per Seil mechanisch an der Unterseite der Struktur verankert.
Ein Kernproblem der elektromotorischen Systeme besteht darin, dass sie blockieren können. Die lineare Bewegung der elektromechanischen Systems ist etwa um den Faktor 100 weniger zuverlässig als die eines hydraulischen Antriebes. Hinzu kommt möglicher Verschleiß der mechanischen Ausführung, der zu Spiel und Flattern führen kann. Um derartige Probleme zu umgehen, wurde eine Vielzahl von Forschungsprojekten begonnen. Ingenieure versuchen dabei, etwa mit Hilfe von Körperschallanalysen am Gerät nahende Ausfälle bereits im Vorfeld zu erkennen.
Alles in allem spricht daher vieles für Hydraulik im Flugzeug. So kommen bereits seit über 50 Jahren bei Transportflugzeugen hydraulisch betätigte Flächen zum Einsatz. Flugzeuge wie A 380 und A 350 XWB verfügen heute zwar über eine Regelungsarchitektur mit einem erhöhten Elektronikanteil, der aber nicht zu einer Substitution der Hydraulik führte. Es entfällt bisher trotzdem kein einziger hydraulischer Aktuator.
Über den Zielerreichungsgrad bei Gewichtseinsparung und Kostensenkung durch Wegfall eines Hydrauliksystemes in der A380 liegen keine aktuellen Zahlen vor. Jedoch wird erkannt, dass sich die Elektronik in der Leistungsdichte und im Gewicht kontinuierlich verbessert. Die ausgereifte Hydraulik kann derartige Leistungssprünge nicht mehr bieten.
Als letzter entscheidender Schritt nach vorne ist die Steigerung des Betriebsdruckes beim A380 von 207 auf 350 bar zu nennen. Das hat aber auch dazu geführt, dass Aluminium als Werkstoff für Ventilblöcke nicht mehr infrage kommt und stattdessen Stahl oder Titan eingesetzt werden muss, wodurch der Vorteil kleinerer Bauweise durch den höheren Druck nicht in einen Gewichtsvorteil umgesetzt werden kann. Trotzdem: Wenn kostengünstige und zuverlässige Lösungen beim Umgang mit hohen Lasten und Linearbewegungen benötigt werden, führt bis heute kein Weg an der Hydraulik vorbei.
Nikolaus Fecht
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