Rotorversuchstechnik

Lastüberwachung in der Rotorversuchstechnik

Die Steuerstangen von Hubschraubern bilden das kritische Übertragungsglied zwischen dem mechanischen Steuersystem und den im Betrieb aerodynamisch belasteten Rotorblättern. Aus diesem Grund werden die an den Steuerstangen auftretenden Lasten während der Versuche kontinuierlich überwacht. Bei kritischen Werten kann so rechtzeitig reagiert und das System heruntergefahren oder die Testbedingungen angepasst werden, um Überbelastungen zu vermeiden. Am Fraunhofer IST wurde gemeinsam mit dem DLR-Institut für Flugsystemtechnik (FT) ein solches Überwachungssystem basierend auf einem piezoresistiven Dünnschichtsensor entwickelt.

Sensorisches Unterlegscheibensystem für die Messung von Kräften in der Steuerstange

Das DLR-FT betreibt seit Mitte der 1970er Jahre einen eigenen Rotorversuchsstand (RVS) für Modellrotoren und ganze Hubschrauberwindkanalmodelle, die bei zahlreichen Windkanalversuchen erfolgreich eingesetzt wurden. Im Rahmen des durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo) erprobt das DLR ein neues, 2008 patentiertes Konzept zur aktiven Rotorsteuerung mittels Mehrfachtaumelscheibe (META). Besonderes Augenmerk gilt dabei der höherfrequenten Sekundäransteuerung (HHC/IBC) des Rotors bis ca. 70 Hz mit Hilfe von Aktuatorik im nicht drehenden System.

Die Steuerstangen zwischen META-Steuersystem und Rotor müssen dabei als kritische, dynamisch hochbelastete Bauteile ständig überwacht werden. Bislang erfolgte die Lastüberwachung dieser Steuerstangen durch Dehnungsmessstreifen (DMS), die über die Dehnung der Steuerstange im Betrieb Rückschlüsse auf den vorherrschenden Lastzustand zulassen. Als Ergänzung für die DMS-Instrumentierung wurden vom Fraunhofer IST gemeinsam mit dem DLR-FT an die Anwendung angepasste Dünnschichtsensoren entwickelt. Neben einem besseren Signal-/Rauschverhältnis und einer integrierten Temperaturkompensation bietet die Dünnschichtsensorik den Vorteil, dass die Belastungen der Steuerstangen direkt im Lastpfad gemessen werden können. Nach ersten Tests der neuen Sensorik auf dem Rotorprüfstand des DLR und im Windkanalversuch sollen die Dünnschichtsensoren langfristig die bisher verwendeten DMS ersetzen.

Aufbau des piezoresistiven Dünnschichtsystems

Der Aufbau der Dünnschichtsensorik erfolgt in einem Mehrschichtsystem, bei dem im ersten Herstellungsschritt die piezoresistive DiaForce®-Schicht im PACVD-Prozess homogen abgeschieden wird. Für die Erzeugung der Elektrodenschicht wird mittels PVD eine 0,2 µm dicke Chromschicht appliziert, die unter Anwendung von Photolithographie und nasschemischer Ätztechnik strukturiert wird. Abschließend wird eine elektrische Isolations- und Verschleißschutzschicht abgeschieden, die aus einer mit Silizium und Sauerstoff modifizierten Kohlenstoffschicht (SICON®) besteht.

Die Anschlussflächen werden zusätzlich mit einer Kupferschicht versehen. Zur Realisierung einer Brückenschaltung, bei der zwei Unterlegscheiben übereinander gelegt werden, wird für die elektrische Isolation beider Unterlegscheiben auf die Unterseite ebenfalls eine SiCON®-Schicht appliziert. Mit dieser Schichtfolge wurden bereits erfolgreich sensorische Unterlegscheibensysteme aufgebaut. 

 

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