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Detailaufnahme aus dem Hauptgetriebe im Antriebsstrang eines Helikopters
Foto: TU Wien
Detailaufnahme aus dem Hauptgetriebe im Antriebsstrang eines Helikopters

Antriebe

Helikopter-Sicherheit erhöhen: Antriebsstrang im Fokus

Die TU Wien präsentiert verschiedene Sicherheitslösungen für Helikopter. Im Mittelpunkt steht dabei der Antriebsstrang im Hauptgetriebe der „Drehflügler“.

Um zukünftige Unfälle zu verhindern und die Sicherheit von Helikopterflügen zu erhöhen, arbeitet die TU Wien an unterschiedlichen technologischen Verbesserungen, wobei ein besonderes Augenmerk auf den Antriebsstrang gelegt wird. Denn auch wenn Fliegen generell als ungefährlich gilt, ist hier noch Verbesserungsbedarf: Durchschnittlich einmal pro Woche ereignet sich in Europa ein Zwischenfall mit den schnellen „Drehflüglern“, wie sie in der Branche meist genannt werden. Etwa einmal im Monat fordert ein Helikopten-Unfall sogar Menschenleben. Die TU Wien unterstützt jetzt aktiv die Ziele der European Union Aviation Safety Agency (EASA) für mehr Sicherheit: Im Jahr 2018 wurde die EASA Rotorcraft Safety Roadmap etabliert, die eine Halbierung der Flugunfallzahlen bis 2028 zum Ziel hat.

Fehler im mechanischen Antriebsstrang gefährden Menschenleben

In der Zeit von 2009 bis 2016 haben allein über der Nordsee ca. 50 Menschen ihr Leben bei Unfällen verloren, bei denen Fehler im mechanischen Antriebsstrangwesentlich zum Absturz beigetragen haben – vor allem im Hauptgetriebe, das die Turbinen mit dem Rotor verbindet. „Die fehlerfreie Konstruktion des mechanischen Antriebsstranges ist von größter Bedeutung. Wenn er richtig funktioniert, dann kann mithilfe der Autorotation selbst bei vollständigem Triebwerksausfall sicher gelandet werden“, erläutert Prof. Michael Weigand vom Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung.

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Einzigartiger Universalprüfstand für Antriebsstränge von Helikoptern an der TU Wien.
Foto: TU Wien Einzigartiger Universalprüfstand für Antriebsstränge von Helikoptern an der TU Wien.

Im Forschungsbereich Maschinenelemente und Luftfahrtgetriebe der TU Wien gibt es viele Forschungsaktivitäten zu diesem Thema. Alle Arbeiten orientieren sich eng an den luftrechtlichen Vorschriften, insbesondere den sogenannten Bauvorschriften, den Certification Specifications der EASA. Das umfangreiche Know-how der Forschungsteams in diesem Bereich stammt unter anderem aus der Beteiligung an der Entwicklung der Getriebe und Antriebswellen für den Hubschrauber Kamov Ka-62 sowie aus der Industrietätigkeit von Prof. Weigand.

Neutrale Expertise in Sachen Sicherheit

Die TU Wien leistet ihre Beiträge zur europäischen Luftfahrtindustrie als unabhängige und neutrale Forschungsstelle. Dieses Charakteristikum universitärer Wissenschaft ist speziell im Bereich der Sicherheit von zentraler Bedeutung. Die laufenden Arbeiten reichen dabei von verbesserten Schmierstoffen über intelligente Zustandsüberwachung von Getrieben bis zu verbessertem Verhalten beim Verlust des Getriebeöls im Flug. Für die Phase der Konstruktion hat die TU Wien eine computerunterstütze Failure Mode, Effects and Criticality Analysis (FMECA) entwickelt und an realen Hubschraubergetrieben erprobt. Dadurch wird eine wesentlich bessere Einbindung der verpflichtenden FMECA in den Konstruktionsprozess erreicht. Im Rahmen einer Ausschreibung der EASA hat die TU Wien auch ein umfassendes Konzept zur Verbesserung der Sicherheit von Hubschraubergetrieben vorgelegt.

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Wenn das Helikopter-Getriebe verschleißt

Eine Schlüsselrolle spielt hier die Tribologie, die Wissenschaft von Reibung und Verschleiß. An der TU Wien werden Oberflächen und Schmierstoffe bis ins kleinste Detail analysiert und innovative Schmiermitteladditive sowie Festschmierstoffe entwickelt. „Aus tribologischer Sicht ist ein Helikopter-Getriebe besonders interessant, denn dort haben wir es mit Extremsituationen zu tun“, sagt Prof. Carsten Gachot vom Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung der TU Wien. „Möglichst große Kräfte sollten vom Getriebe bewältigt werden können, und das bei sehr hohen Temperaturen.“ Das kann zu raschem Verschleiß führen, und im schlimmsten Fall zu einem katastrophalen Versagen des Getriebes. Das muss verhindert werden.

Flüssige Salze im Schmierstoff

Michael Weigand und Carsten Gachot arbeiten gemeinsam mit Prof. Katharina Schröder vom Institut für Angewandte Synthesechemie der TU Wien an neuartigen Schmierstoffadditiven, deren Wirksamkeit bereits im Labor nachgewiesen werden konnte. Dabei handelt es sich um Salze, die bei Raumtemperatur flüssig sind, sogenannte ionische Flüssigkeiten. „Die Ionen gehen mit der metallischen Oberfläche eine Bindung ein“, erklärt Carsten Gachot. „So entsteht auf der Oberfläche eine dünne Schicht, die einen direkten Kontakt zwischen zwei Metall-Teilen verhindert und dadurch die Reibung verringert.“ Im nächsten Schritt werden diese Additive als Beimengung zu den derzeit zugelassenen Schmierstoffen für Hubschraubergetriebe erprobt.

Eine Schlüsselrolle spielt die Tribologie, die Wissenschaft von Reibung und Verschleiß
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TU Wien verbessert Helikoptertechnik – neuartige Schmiermittel erhöhen die Sicherheit
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Vielversprechende 2D-Materialen

Große Erfolge lassen auch 2D-Materialien erwarten – das sind Feststoffe, die aus hauchdünnen Schichten bestehen, wie etwa das berühmte Kohlenstoff-Material Graphen. An der TU Wien wird eine spezielle Klasse dieser 2D-Materialien untersucht, die sogenannten „Mxene“ (sprich: Maxene), bei denen drei bis vier Schichten gemeinsam so dünn sind, wie ein Hundertstel einer Haaresbreite. „Ihre Funktionsweise kann man leicht verstehen, wenn man an einen Stapel Spielkarten denkt“, sagt Carsten Gachot. „Die Karten eines Decks in der Mitte durchzureißen, ist schwierig. Aber in Richtung der Kartenflächen können die Karten mit geringer Reibung aneinander gleiten.“ Zusätzlich wird an der TU Wien untersucht, wie man mit Laser-Technologien die Oberflächen von Maschinenelementen maßgeschneidert anpassen kann, um die Reibung dadurch noch weiter zu reduzieren.

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