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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Strukturbauteil, insbesondere
eines Luftfahrzeugs aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK), wobei
die Kohlefasern eine Faserorientierung in einer Vorzugsrichtung
aufweisen.
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Strukturbauteile,
welche aus einem kohlefaserverstärkten
Kunststoff (CFK) aufgebaut sind, finden insbesondere dort Anwendung,
wo die Bauteile hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, und
zusätzlich
ein geringes Gewicht aufweisen müssen.
Die kohlefaserverstärkten
Kunststoffe werden auch als Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe bezeichnet,
bei denen eine Matrix aus Duromeren, wie beispielsweise einem Epoxidharz
oder einem Thermoplasten, die Kohlefasern aufnehmen. Diese sind meistens
in mehreren Lagen übereinander
gebracht und dienen als Verstärkung
der Matrix. Die Kohlefasern können
dabei eine oder mehrere Vorzugsrichtungen aufweisen, welche zur
Aufnahme von in das Strukturbauteil eingeleiteten Kräften vorzugsweise
in Kraftflussrichtung verlaufen. Die Matrix dient dabei als Fixierung
der Kohlefasern, welche entweder als Faserbündel in einer einfachen Richtung
(unidirektional) oder als Gewebe in zumindest zwei Vorzugsrichtungen
(bidirektional) aufgebaut sind. Die Festigkeit eines Kohlefaserkunststoffes
ist wie bei allen Faserverbunden in Faserrichtung höher als
quer zur Faserrichtung. Aus diesem Grund werden einzelne Faserlagen
in verschiedenen Richtungen innerhalb der Matrix verlegt. Bei Hochleistungs-Konstruktionsbauteilen
werden die Faserrichtungen zusätzlich
mittels einer Computerberechnung mit Hilfe einer Laminattheorie
festgelegt, um die richtungsabhängige
Festigkeit und Steifigkeit zu erreichen.
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Strukturbauteile
der hier interessierenden Art betreffen insbesondere Bauteile von
Luftfahrzeugen, wie die Rotorblätter
von Hubschraubern, die Tragflächen
von Flugzeugen, Leitwerke oder teilweise auch Komponenten der Rumpfstruktur
des Luftfahrzeugs. Betreffend die Rotorblätter von Hubschraubern liegt die
Hauptbelastungsrichtung in Längsrichtung
des Rotorblattes aufgrund auftretender Fliehkräfte. Daher sind die Fasern
im Wesentlichen in Längsrichtung des
Rotorblattes ausgerichtet, um die Fliehkräfte optimal aufzunehmen.
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Ferner
ist bekannt, dass die Kohlefasern der kohlefaserverstärkten Kunststoffe
eine elektrische Leitfähigkeit
aufweisen. Die elektrische Leitfähigkeit von
kohlefaserverstärkten
Kunststoffen ist um mehrere Größenordnungen
geringer als die jenige von Metallen. Die Leitung eines elektrischen
Stroms erfolgt innerhalb der Kohlefasern, wobei die aus Epoxidharz
oder anderen isolierenden Stoffen bestehende Matrix eine Isolierung
der elektrisch leitenden Kohlefasern zueinander bewirkt. Häufig werden
sogar kohlefaserverstärkte
Kunststoffe als Gehäuse von
elektrischen Geräten
verwendet, um eine Abschirmung der im Gehäuse aufgenommenen Elektronik
zu erreichen.
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Somit
ergibt sich aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der kohlefaserverstärkten Kunststoffe eine
Abschirmung gegenüber
elektromagnetischen Wellen, so dass diese für elektromagnetische Wellen nicht
transparent sind. Damit ergibt sich ferner das Problem, dass Sende-
und Empfangseinrichtungen für
Funksignale, welche in den aus Kohlefaserkunststoffen bestehenden
Strukturelementen appliziert werden, elektromagnetisch abgeschirmt
sind.
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Ferner
sind eine Reihe von Messsensoren bekannt, welche mittels einer Antenne
zum Aussenden und zum Empfangen von elektromagnetischen Wellen Messdaten übermitteln
und sogar eine Leistungsversorgung ermöglichen. Aufgrund der abschirmenden
Wirkung der kohlefaserverstärkten
Kunststoffe gegenüber
den elektromagnetischen Wellen sind derartige Messaufbauten jedoch
nicht oder nur eingeschränkt
innerhalb der Strukturbauteile anwendbar. Beispielsweise werden
eine Vielzahl von Messungen an den rotierenden Enden von Rotorblättern von
Hubschraubern im Betrieb vorgenommen, um physikalische Größen, wie
beispielsweise einen Druck, eine Eisdicke, Strömungsgeschwindigkeiten oder
sogar Strömungsrichtungen,
zu messen. Eine Signal- und/oder Leistungsübertragung kann daher aufgrund
der Leitfähigkeit
kohlefaserverstärkter Kunststoffe
im Strukturbauteil nicht oder in nicht zufriedenstellender Weise
realisiert werden. Häufig
wird auf eine konventionelle elektrische Kontaktierung der Messsensoren
zurückgegriffen,
was das Verlegen von elektrischen Kabeln innerhalb des Rotorblattes erfordert,
und mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Strukturbauteil
aus kohlefaserverstärktem
Kunststoff (CFK) mit einer integrierten Antenne dahingehend zu verbessern,
dass eine Signal- und/oder Leistungsübertragung mittels der im Strukturbauteil
angeordneten Antenne möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass im Strukturbauteil eine Antenne zur
Aussendung und/oder zum Empfang von elektromagnetischen Wellen vorgesehen
ist, und die Faserorientierung der Kohlefasern parallel zur Ausbreitungsrichtung
der elektromagnetischen Wellen ausgerichtet ist.
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Die
Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, dass die transversale
Schwingungsrichtung senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen
Welle steht. Breitet sich die elektromagnetische Welle in Richtung
der Faserorientierung aus, so wird die elektromagnetische Schwingung
in transversaler Richtung durch die elektrisch leitenden Kohlefasern
nicht oder nur sehr gering gedämpft.
Typischerweise sind elektromagnetische Wellen Transversalwellen,
d.h. es gibt keine Feldkomponenten in Ausbreitungsrichtung. Breitet
sich die elektromagnetische Welle in Richtung der Vorzugsrichtung
der Faserorientierung aus, so liegt die Schwingungsebene der elektromagnetischen
Welle senkrecht auf der Faserorientierung, so dass sich die elektromagnetische Welle
auch innerhalb des Strukturbauteils ungedämpft bzw. mit frequenzabhängiger vernachlässigbar
geringer Dämpfung
ausbreiten kann. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Antenne lassen sich
Funksignale durch das Strukturbauteil aus kohlefaserverstärktem Kunststoff
versenden und empfangen.
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Zur
Erhaltung der Festigkeit des Strukturbauteils in Richtung der transversalen
Schwingung der elektromagnetischen Welle kann beispielsweise vorgesehen
sein, dass das Strukturbauteil einen Mischverbund aus kohlefaserverstärktem Kunststoff und
einen glasfaserverstärkten
Kunststoff aufweist. Die Kohlefasern können dabei in Ausbreitungsrichtung
der elektromagnetischen Welle verlegt sein, wohingegen die Glasfasern
in der transversalen Schwingungsrichtung der elektromagnetischen
Welle ausgerichtet sind. Somit lässt
sich beispielsweise auch eine bidirektionale Festigkeit herstellen,
wobei in Richtung der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen
Welle der Vorteil der leichtbauenden kohlefaserverstärkten Kunststoffe
weiterhin nutzbar gemacht wird. Die Glasfasern, welche im Wesentlichen senkrecht
zu den Kohlefasern angeordnet sind, stören aufgrund ihrer nicht vorhandenen
elektromagnetischen Eigenschaften die Ausbreitung der elektromagnetischen
Welle nicht. Glasfasern sind nicht leitend und daher für elektromagnetische
Wellen transparent. Für
Strukturbauteile, bei denen lediglich Kräfte in einer Vorzugsrichtung
aufgenommen werden müssen,
können
Kohlfaserbündel,
so genannte Rovings, vorgesehen sein.
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Gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels der
Erfindung ist vorgesehen, dass das Strukturbauteil ein Rotorblatt
eines Luftfahrzeugs oder einer Windkraftanlage ist. Ferner kann
vorgesehen sein, dass das Strukturbauteil wenigstens ein Teil einer Tragfläche und/oder
eines Leitwerkes und/oder eines Rumpfes des Luftfahrzeugs darstellt.
Aufgrund der Applikation einer Vielzahl von Messsensoren, welche beispielsweise
auch an den Rotorblattspitzen von Windkraftanlagen angewendet werden,
ergibt sich für
eine Vielzahl von Bauteilen aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen die Möglichkeit,
Messsensoren entsprechend anzuwenden, ohne auf eine Signal- und/oder
Leistungsübertragung
mittels elektromagnetischer Wellen zu verzichten.
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Vorteilhafterweise
weist die elektromagnetische Welle die Signalübertragung von Messsensoren auf,
wobei die Übertragung
mittels einer Frequenzmodulation erfolgt. Die Messung signifikant
frequenzmodulierter Signale anstelle von Signalamplituden ergibt
eine geringere Störanfälligkeit,
was bei den genannten Applikationen erhebliche Vorteile bietet.
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Gemäß eines
weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiels
ist vorgesehen, dass die Messsensoren im und/oder am Strukturbauteil
angeordnet sind, wobei die mittels der Messsensoren aufgenommenen
Messgrößen physikalische
Messgrößen, umfassend
einen Druck, eine Eisdicke, eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder
eine Strömungsrichtung, sind.
Derartige Messgrößen werden
von Messsensoren aufgenommen, welche vorzugsweise an Rotorblättern von
Hubschraubern oder an Tragflügeln
von Flugzeugen angewendet werden.
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Vorteilhafterweise
umfassen die Messsensoren Oberflächenwellensensoren
(OFW), welche wenigstens eine Antenne sowohl zur Speisung als auch zum
Senden und Empfangen von Signalen aufweisen. Derartige Oberflächenwellensensoren
basieren auf akustischen Oberflächenwellen,
welche auch als Surface Acoustic Wave (SAW) bezeichnet werden. Ein
SAW-Sensor/Transponder
besteht aus einem piezoelektrischen Substratkristall, auf dem metallische Strukturen
aufgebracht werden. Der SAW-Sensor/Transponder steht über eine
an diesem angebrachte Antenne mit einer Messsignalrechnereinheit in
Funkverbindung. Dabei sendet die Messsignalrechnereinheit elektromagnetische
Signale aus, welche von der Antenne empfangen werden. Durch einen
speziellen Wandler werden die Signale auf dem SAW-Messsensor in
mechanische Schwingungen umgesetzt. Die daraus resultierenden Wellen
breiten sich auf der Oberfläche
des piezoelektrischen Kristalls aus. An Reflektoren werden die Oberflächenwellen
teilweise reflektiert und wieder elektromagnetische Wellen zurückgewandelt.
Die dabei angewendeten Frequenzen bewegen sich typischerweise bei etwa
300 MHz. Die Wellenlänge
ist durch die sogenannte Interdigitalstruktur vorgegeben, wobei
diese bei der Änderung
der Ausbreitungsgeschwindigkeit innerhalb des Sensors zu einer Änderung
der Frequenz führt.
Diese Änderungen
können
beispielsweise durch die Dehnung oder eine Temperaturänderung
hervorgerufen werden, so dass aufgrund der Frequenzänderung
als gemessene Größe auf eine Information
der eigentlichen Messgröße geschlossen werden
kann.
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Durch
die Verbindung des Erregers und des Empfängers des SAW-Sensors mit einer
Antenne kann die angeregte Wechselspannung über Funk eingestrahlt und die
Sendeantwort wiederum ebenfalls drahtlos an die Messsignalrechnereinheit
rückübermittelt
werden. Weil die angeregte Wechselspannung mit Funk eingestrahlt
wird, sind die SAW-Sensoren passive und wartungsfreie Sensorelemente, die
keine zusätzliche
Versorgungsspannung benötigen
und sehr leichtbauend sind. Aufgrund dieser Eigenschaften eigenen
sich SAW-Sensoren bevorzug zur Applikation innerhalb der genannten
Strukturbauteile, wobei physikalische Messgrößen wie Druck, eine Eisdicke,
eine Strömungsgeschwindigkeit
oder auch eine Strömungsrichtung
Messgrößen sind,
zu deren Aufnahme die SAW-Sensoren bevorzugt geeignet sind.
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Gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels der
Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberflächenwellensensoren (OFW) Elektrodenstrukturen
aufweisen, um eine individuelle Adressierung der im kohlefaserverstärkten Kunststoff
des Strukturbauteils integrierten Antennen zu schaffen. Mittels
entsprechender Elektrodenstrukturen kann die Anregung der Sensoren
selektiv erfolgen, so dass auch mehrere Sensoren innerhalb eines
Strukturbauteils eingebracht werden können. Es lassen sich die SAW-Sensoren
durch Elektrodenstrukturen als integrierte Antennen individuell
adressieren, was ein individuelles, drahtloses Abfragen einer großen Zahl
von SAW-Sensoren ermöglicht.
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Gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels der
Erfindung ist vorgesehen, dass die Messsensoren oberflächennah
in einem Rotorblatt eines Luftfahrzeugs eingebracht sind und mittels
einer Antenne durch den kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) senden
und/oder empfangen. Bezogen auf das Rotorblatt kann vorgesehen sein,
dass dieses in Längsrichtung
innenseitig von einer Blattwurzel und außenseitig von einer Blattspitze
begrenzt ist und die Faserorientierung des kohlefaserverstärkten Kunststoffes (CFK)
in Längsrichtung
des Rotorblattes verläuft.
Damit verfügen
die im kohlefaserverstärkten
Kunststoff oberflächennah
eingebrachten Sensoren über
eine Antennenanordnung, die sicherstellt, dass die elektromagnetischen
Wellen den kohlefaserverstärkten Kunststoff
verlassen können
und über
die Luft bis zur Blattwurzel bzw. zum Rotorkopf gelangen, wo die
Daten mittels der Messsignalrechnereinheit erfasst werden. Dabei
ist die zu überwindende
Distanz maximal so groß wie
die Blattlänge
des Rotors.
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Vorteilhafterweise
umfasst das Rotorblatt einen etwa mittigen Stützkern und eine Profilnase
aus kohlefaserverstärktem
Kunststoff (CFK), in welcher die Faserorientierung in Längsrichtung
des Rotorblattes ausgebildet ist, wobei ein Messsensor in der Profilnase
eingebracht ist, der die Signale mit einer stationär im Luftfahrzeug
vorgesehenen Messsignalrechnereinheit austauscht.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
sind in den Unteransprüchen
angegeben oder werden nachfolgend gemeinsam mit der Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der
Erfindung anhand der Figuren näher
dargestellt. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Strukturbauteils aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff
sowie einer elektromagnetischen Welle, welche sich in Y-Richtung
ausbreitet; und
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2 schematisch
eine perspektivische Ansicht eines quergeschnittenen Rotorblattes,
in welchem ein Messsensor mit einer Antennenanordnung dargestellt
ist.
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In 1 ist
ein Strukturbauteil 1 dargestellt, welches aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK)
aufgebaut ist. Dabei sind die Kohlefasern 2 beispielhaft
dargestellt, welche in einer Vorzugsrichtung verlaufen. In der 1 ist
Koordinatensystem eingeführt,
welches eine X-Richtung,
eine Y-Richtung sowie eine Z-Richtung umfasst. Die Kohlefasern 2 innerhalb
des Strukturbauteils 1 sind in Y-Richtung verlegt. Ferner
ist eine elektromagnetische Welle 9 dargestellt, welche
sich in Y-Richtung ausbreitet. Die elektromagnetische Welle 9 umfasst
eine transversale Schwingungsrichtung, welche gemäß der Darstellung
in X-Richtung gelegen ist. Die als Sinusschwingung dargestellte
transversale Schwingungsrichtung steht somit senkrecht auf den in
Y-Richtung verlaufenden Kohlefasern. Analog kann auch die Z-Richtung
als transversale Schwingungsrichtung verstanden werden, wobei sich
bei einer transversalen Schwingungsrichtung in X-Richtung sowie
in Z-Richtung die elektromagnetische Welle auch innerhalb des kohlefaserverstärkten Kunststoffes
ausbreiten kann.
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Elektromagnetische
Wellen 9 sind Transversalwellen, d.h. es gibt keine Feldkomponenten
in Ausbreitungsrichtung. Somit weisen die elektromagnetischen Wellen 9 keine
Feldkomponenten in Y-Richtung, d.h. in der Vorzugsrichtung der Kohlefasern 2,
auf. Ein kohlefaserverstärkter
Kunststoff, welche Kohlefasern 2 aufweist, die im wesentlichen
nur in einer Richtung, d.h. unidirektional, verlegt sind, sind elektromagnetische
Wellen 9 in Richtung der Faserorientierung der Kohlefasern
transparent. So lange die transversale Schwingungsrichtung senkrecht auf
den elektrisch leitenden Kohlefasern steht, ist die Dämpfung der
elektromagnetischen Schwingung Null bzw. nahezu Null, und die elektromagnetische Welle 9 kann
das Strukturbauteil 1 hindurch passieren.
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2 zeigt
ein Strukturbauteil 1, welches beispielhaft als Rotorblatt
eines Hubschraubers ausgeführt
ist. Die tragende Struktur 3 des Rotorblattes ist durch
Kohlefasern gebildet. Die Kohlefasern 2 sind dabei in Längsrichtung
des Rotorblattes ausgerichtet, um auftretende Fliegkräfte optimal
aufzunehmen. Die tragende Struktur 3 des Rotorblattes ist
um einen Stützkern 4 angeordnet.
Um den Neutralpunkt des Rotorblattes in vorteilhafter Weise zu beeinflussen,
sind Bleigewichte 5 in der Profilnase eingebracht. Ferner
ist an der Profilnase ein Erosionsschutzelement 6 aufgebracht.
Dieses dient zum Schutz der Kohlefaserstruktur, und besteht beispielsweise
aus einem Stahlblech.
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Innerhalb
der tragenden Struktur 3 ist ein Messsensor 7 angeordnet.
Der Messsensor 7 ist beispielhaft als Oberflächenwellensensor
(SAW-Sensor) ausgebildet und umfasst eine Antenne 8. Über die
Antenne 8 wird zur Signal- und Leistungsübertragung eine elektromagnetische
Welle ausgesendet, welche mit einer – hier nicht dargestellten – Messsignalrechnereinheit
Daten austauscht. Die Kohlefasern 2 verlaufen von der Rotorblattspitze
zur Rotorblattwurzel und wieder zurück. Somit nehmen die Kohlefasern 2 Längskräfte und
Biegebeanspruchungen des Rotorblattes auf. Ferner weisen die Kohlefasern 2 eine
Vorzugsrichtung auf, wobei gemäß der Darstellung
in 2 die Antenne 8 in ihrer Ausrichtung senkrecht
auf den Kohlefasern 2 steht. Die Ausbreitungsrichtung der
durch die Antenne 8 ausgesendeten elektromagnetischen Wellen
verläuft
senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Antenne 8. Somit
stört die
Struktur der Kohlefasern 2 innerhalb der tragenden Struktur 3 die
Ausbreitung der durch die Antenne 8 ausgesendeten elektromagnetischen
Wellen nicht.
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Die
vorliegende Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf vorstehend angegebene, bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist
eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten
Lösung
auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht. Somit kann beispielsweise der Sensor 2 mit
der Antenne 8 ebenfalls innerhalb eines Rumpfbauteils,
eines Bauteils einer Fahrzeugkarosserie, innerhalb eines Rotors
einer Windkraftanlage oder dergleichen eingesetzt werden.
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- 1
- Strukturbauteil
- 2
- Kohlefaser
- 3
- tragende
Struktur
- 4
- Stützkern
- 5
- Bleigewicht
- 6
- Erosionsschutzelement
- 7
- Messsensor
- 8
- Antenne
- 9
- elektromagnetische
Welle
- X
- X-Richtung
- Y
- Y-Richtung
- Z
- Z-Richtung