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Zwischen Evolution und Revolution

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Philipp Hassinger

3. Werkstoffe

Texte intégral

  • 199 Nicolaus, Fr.: Elektronmetalle als Werkstoff im Flugzeugbau, in: Fortschritte der Luftfahrt. Jahrbu (...)

„Es ist die Aufgabe des Flugzeugbauers, als des ausgezeichnetsten Vertreters des Leichtbaus, ständig auf der Suche nach Möglichkeiten zu sein, die die Wirtschaftlichkeit seiner Arbeit verbessern könnten. Neben der rein aerodynamischen Formgebung sind es die Wahl des Werkstoffes und die Art seiner Verwendung, die hierbei die Hauptrolle spielen.“199

1In diesem Kapitel soll auf die im Flugzeugbau verwendeten Werkstoffe genauer eingegangen werden. Wird in anderen Kapiteln mitunter nur ungenau zwischen den einzelnen Werkstoffgruppen Metall und Holz unterschieden, so soll dieses Kapitel helfen, diese Werkstoffgruppen genauer zu differenzieren.

3.1 Metall ist nicht gleich Metall

  • 200 Hooper Mc Carty, Foecke 2009. Seite 189.

„Rust is what iron wants to be.“200

2Es muss betont werden, dass nicht nur eine Art Metall bei der Flugzeugproduktion zur Anwendung kam. Die Werkstoffgruppe Metall beinhaltet eine Vielzahl von Metallen und Metalllegierungen, die im Flugzeugbau benutzt wurden und werden. Anders ausgedrückt: Metall ist nicht gleich Metall.

3Zunächst zu Eisen und Stahl. Der Luftfahrtpionier Fokker verwendete für die Rümpfe seiner Gemischtbau-Flugzeuge ab 1913 ein Gerüst aus einfachem Stahlrohr und die Junkers J1, die 1915 erstmals flog, hatte eine Außenhaut aus einfachem 0,5 mm bis 1 mm starkem Eisenblech.

4Verschiedene Stähle fanden im Flugzeugbau 1939 noch mannigfache Anwendung. Die folgenden Stahlvarianten und ihre sehr unterschiedlichen Anwendungsgebiete geben Aufschluss über den damaligen Stellenwert des Stahls als Flugzeugwerkstoff.

5Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (weniger als 0,2 Prozent Kohlenstoff) und einer folglich einfachen Verformbarkeit wurden zur Fertigung von Voll- und Hohlnieten, Sicherungsdrähten, Leitungsrohren, kleineren Behältern und von Teilen der Auspuffanlage, die keinen hohen Temperaturen ausgesetzt waren, verwendet.

6Wiesen Sie einen mittleren Kohlenstoffgehalts (0,2 - 0,45 Prozent Kohlenstoff) auf, wurden sie zur Herstellung von Massenteilen mittlerer Beanspruchung benutzt, etwa für Schrauben, Muttern, Spannschlösser und ähnliche Dreh- und Frästeile. Zum Teil wurden aus ihm auch Stahlrohre mit kleinem Querschnitt hergestellt.

7Stähle mit höherem Kohlenstoffgehalt (0,6 bis 0,9 Prozent Kohlenstoff) wurden für durch Dauerleistung beanspruchte Fertigteile herangezogen. Dazu gehörten Spannbänder, Spanndrähte, Drahtseile, Bandfedern, Schraubenfedern und Ventilfedern.

8Manganstähle (bis 2,5 Prozent Mangan) boten sich wegen ihrer guten Schweiß- und Festigkeitseigenschaften zur Herstellung von Beschlägen und Holmrohren an.

9Weit verbreitet im Flugzeugbau waren Chrom-Molybdänstähle. Sie wurden wegen ihrer hohen Festigkeit für besonders beanspruchte Flugzeug- und Motorenteile verwendet. Um einige Beispiele zu nennen: Flügel- und Rumpfgerüste, Streben, Fahrgestellachsen, Luftschraubennarben, Zahnräder, Schrauben und Bolzen.

10Äußerst stark beanspruchte Bauteile, wie zum Beispiel Zylinder luftgekühlter Motoren oder Laufbüchsen von flüssigkeitsgekühlten Motoren, wurden wegen des hohen Verschleißes aus sehr harten Chromstählen hergestellt.

11Dagegen fanden Gußeisen-Sonderlegierungen (mit Graphit, Silizium, Phosphor), dank ihrer guten Laufeigenschaften Verwendung bei Motorenteilen wie Kolbenringen, Feuerringen von Dieselkolben, Ventilführungen und Laufbüchsen.

  • 201 Stähle und ihre Verwendung im Flugzeugbau aus: Hollbach, O.: Deutscher Flugzeugbau. Handbuch der Lu (...)

12Kupfer und Zinn wurden nur in geringem Maße benutzt. Die Verwendung von Kupfer beschränkt sich fast ausschließlich auf die elektronische Ausrüstung und Zinnlegierungen wurden beispielsweise für Grund- und Pleuellager von Flugmotoren benutzt.201

13Nachdem man entdeckt hatte, dass Aluminium eine signifikante Gewichtsreduzierung der Flugzeugstruktur ermöglichte und mit dem Duralumin auch eine Legierung bereit stand, welche die benötigte Stabilität versprach, erfolgte ein international sehr unhomogener und nicht zeitgleicher Übergang zur Verwendung neuer Leichtmetalllegierungen im Flugzeugbau. Stahl konnte jedoch auch später noch seine Vorteile, wie die bessere Hitzestabilität und damit besserer Eignung für den Hochgeschwindigkeitsflug, unter Beweis stellen, wie wir später noch bei der MiG-25 sehen werden.

  • 202 Ørsted, Hans Christian (* 14.08.1777 in Rudkøbing; † 09.03.1851 in Kopenhagen).
  • 203 Wöhler, Friedrich (* 31.07.1800 in Eschersheim, Frankfurt a. M.; † 23.09.1882 in Göttingen).
  • 204 Deville, Henri Etienne Sainte-Claire (* 11.03.1818 in Saint Thomas, Westindien; † 01.07.1881 in Bou (...)
  • 205 Vgl. Crouch 2003. Seite 170; Wissmann 1975. Seite 148; Marschall, Luitgard: Aluminium - Metall der (...)
  • 206 Marschall 2008. Seite 73.
  • 207 Charles Martin Hall (1863-1914) und Paul Touissant Heroult (1863-1914) entwickelten unabhängig vone (...)
  • 208 Vgl. Brockhaus Konversations-Lexikon. I.Band, 14. Aufl., Berlin-Wien 1901. Seite 482.

14Aluminium war 1825 von dem dänischen Physiker und Chemiker Hans Christian Ørsted202 entdeckt worden. Parallel forschten in der Folgezeit der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler203 und der französische Chemiker Henri Sainte-Claire Deville204 an dem neuen Metall. Das öffentliche Interesse stand zu dieser Zeit in keinem Verhältnis zu dem Ansehen, dass das Aluminium in der Wissenschaft genoss. Selbst nachdem es 1855 auf der Pariser Weltausstellung präsentiert worden war, blieb das öffentliche Echo zurückhaltend. Anfangs wurde das neue Metall ausschließlich chemisch und nur in Frankreich hergestellt. Die chemische Herstellung war sehr aufwendig: 1854 so teuer wie Gold, war Aluminium 1884 noch genauso teuer wie Silber.205 Es war ,,ein sündhaft teures Metall, umgeben von einer Aura des Luxus und der Exklusivität.“206 Erst die Entwicklung der Schmelzflusselektrolyse 18 8 6207 führte zu einem Aluminiumpreisverfall und machte aus dem Edelmetall für Schmuck ein Alternativwerkstoff mit mannigfaltigen Anwendungsmöglichkeiten. Der Preis pro Kilogramm Aluminium sank von 1 000,- Mark im Jahre 1855 auf 2,- Mark im Jahre 1900.208

Jahr

Preis pro Kilogramm Aluminium in Francs

1854

3000

Frühjahr 1856

1.000

Herbst 1856

300

1860

130

1889

61

  • 209 Daten aus Marschall 2008. Seiten 73 - 76.

Tabelle 1: Preisverfall des Aluminiums.209

  • 210 Verne, Jules-Gabriel (* 08.02.1828 in Nantes; † 24.03.1905 in Amiens).
  • 211 Verne, Jules: De la Terre à la Lune. Trajet direct en 97 heures 20 minutes. Paris 1865. Hier: deuts (...)

15Die Eigenschaften des Aluminiums fasste der Autor Jules Verne210 in seinem Buch „Von der Erde zum Mond“ wie folgt zusammen: „Dieses wertvolle Metall ist hell wie Silber, unveränderlich wie Gold, widerstandsfähig wie Eisen, schmelzbar wie Kupfer und leicht wie Glas; [...].“211

  • 212 Reuleaux, Franz (* 30.09.1829 in Eschweiler-Pumpe; † 20.08.1905 in Berlin-Charlottenburg).
  • 213 Geschichte der Aluminium-Industrie-Aktien-Gesellschaft Neuhausen 1888-1938. Band 1. Zürich 1942. Se (...)

16Trotz den attraktiven Eigenschaften blieb das neue Metall als Alternative zu bestehenden Werkstoffen weitgehend unbeachtet. Das lag auch daran, dass es keine Erfahrungen mit der Verarbeitung des Leichtmetalls und dessen Eigenschaften gab und Verfahren sowie Werkzeuge erst entwickelt werden mussten. Ähnlich wie später im Flugzeugbau verwehrten anfangs etablierte Wissenschaftler und Maschinenbauer auf Grund technischer Vorurteile dem neuen Metall eine weite Verbreitung. Franz Reuleaux212 beispielsweise spottete 1886 über das Aluminium: „Was kann man von einem Metall erwarten, das von der harmlosesten Flüssigkeit, selbst vom Schweiß, in Tonerde verwandelt wird?“213

  • 214 Vgl. Marschall 2008. Seite 79.

17Verbraucher und Produzenten blieben ratlos, was man mit dem neuen Metall anfangen sollte. Zur Rettung für die junge Aluminiumindustrie wurde ausgerechnet die Stahlindustrie, die das Leichtmetall zur Bindung des Sauerstoffs bei der Stahlschmelze verwendete.214

  • 215 Zum Materialwandel im Luftschiffbau und David Schwarz siehe das Kapitel „Materialien im starren Luf (...)
  • 216 Vgl. Budraß 1998. Seite 30.

18Die Eigenschaften des Baustoffs Aluminium und der gefallene Preis des neuen Werkstoffs waren auch der Grund, warum sich Luftschiffpioniere wie David Schwarz215 oder Ferdinand Zeppelin schon früh für das Metall interessierten. Reines Aluminium hatte jedoch keine befriedigenden Eigenschaften. Es war zu weich, um tragende Funktionen zu übernehmen. Frühe Versuche, eine beständige Aluminiumlegierung zu finden, zum Beispiel durch den Zusatz von Zink und Kupfer, die Zeppelin mit dem Industriellen Carl Berg zusammen betrieb, waren nicht von Erfolg gekrönt. Durch das Interesse und die Forschung Zeppelins wurde Aluminium jedoch als Konstruktionsmetall prominenter, was wiederum eine Konzentration der metallurgischen Forschung bei Leichtmetallen bewirkte. Je mehr das Luftschiff an Bedeutung gewann, desto wichtiger wurde die Suche nach einer hochfesten und alterungsbeständigen Aluminiumlegierung für beanspruchte Metallkonstruktionen.216

19Aluminium ist im Rohzustand weich, schwer zu verarbeiten und zeigt keine nützlichen Eigenschaften. Erst Zusätze von anderen Metallen machten es zum revolutionären Werkstoff.

  • 217 Vgl. Hollbach 1939. Seite 176.

20Reines Aluminium wurde im Flugzeugbau anfangs zur Herstellung von Betriebsstoffbehältern, Rumpf- und Motorenverkleidungen, Rohrleitungen und Armaturen verwendet und Verbindungen aus Aluminium und Silizium boten sich auf Grund ihrer geringen Wärmeausdehnung besonders für die Verarbeitung in Motoren an.217

21Zur internationalen Luftschifffahrt-Ausstellung in Frankfurt vom 10. bis 17. Oktober 1909 wurde ein „Wettbewerb für Leichtmetalle von erheblicher Festigkeit“ ausgeschrieben.

  • 218 Vgl. Blunck, Richard: Hugo Junkers. Ein Leben für Technik und Luftfahrt. Düsseldorf 1951. Seite 102
  • 219 Vgl. Crouch 2003. Seite 170.
  • 220 Hollbach 1939. Seite 176.

22Im gleichen Jahr patentierte der deutsche Wettbewerbsteilnehmer Alfred Wilm eine Aluminiumlegierung namens „Duralumin“ oder kurz „Dural“. Hierbei handelte es sich um eine Verbindung aus 95% Aluminium, 4% Kupfer, 0,5% Mangan und 0,5% Magnesium.218 Nach dem Gießen wurde diese Legierung während des viertägigen Lagerns immer stärker und härter.219 Im Endzustand hatte Duralumin bei gleichen Eigenschaften wie Eisenblech nur ein Drittel des Gewichts. Innerhalb weniger Jahre entwickelte sich Dural anschließend zu einem der wichtigsten Flugzeugwerkstoffe und führte schnell zur Überzeugung: „Aushärtbare Aluminium-Kupfer-Magnesium Legierungen sind der hauptsächliche Baustoff des Metallflugzeugbaus.“220

  • 221 Die Dürener Metallwerke AG hatte Alfred Wilm das Patent für das Duralumin abgekauft.

23Der Name „Dural“ setzte sich aus Aluminium, dem Namen des Herstellers221, der „Dürener Metallwerke AG“, einer Tochtergesellschaft der Deutschen Waffen- und Munitionsfabriken, und dem lateinischen Wort für „durus“, zu deutsch hart, zusammen.

  • 222 Budraß 1998. Seite 36.

24Nachdem erkannt worden war, dass das „Silber aus Lehm“ neben dem „Salpeter aus Luft“ ein wichtiges Instrument zur Autarkisierung einer Kriegswirtschaft darstellte, zielte die weitere Erforschung der festen Aluminiumlegierungen vor allem in Deutschland ausdrücklich darauf, Rezepte gegen die vermeintliche Rohstoffarmut zu finden. In diesem Sinne konnte man die Wilmsche Erfindung auch so verstehen, dass das mit Erzen aller Art nicht gesegnete Deutsche Reich in Gestalt seiner Tonvorkommen unversehens über eine fast unbegrenzte Rohstoffbasis für ein Metall verfügte, das in zentralen Anwendungsbereichen Kupfer und Stahl ersetzten konnte.222

  • 223 1913 setzte das Unternehmen 37 Tonnen Duralumin an die Zeppelinwerke ab. 1916 waren es dann schon 7 (...)
  • 224 Weiß 2010. Seite 44.

25Der Luftschiffbau wurde zum größten Abnehmer des neuen Metalls223 und die Verwendung der statischen Berechnungen, die im Stahlbrückenbau entwickelt worden waren, machte den Luftschiffbau um Graf Zeppelin zum Zentrum der technischen Dynamik, die zum freitragenden, metallenen Flugzeug führen sollte. Ab 1914 schrieb das Reichsmarineamt sogar die Verwendung von Duralumin beim Bau von Luftschiffen vor.224 Angesichts der Existenz der hölzernen Schütte-Lanz Luftschiffe dürfte diese Vorgabe mit Fortdauern des Krieges wohl gelockert worden sein.

  • 225 Vgl. ebenda. Seite 44; Schatzberg 1999. Seite 32 f.

26Das Rezept für Duralumin wurde von deutscher Seite streng geheim gehalten und so suchte man im Ausland zum Teil noch weit über den Ersten Weltkrieg hinaus nach der Herstellungsmethode für das stabile Leichtmetall. In den USA gelang es erst 1922 mit umfangreicher staatlicher Unterstützung, eine dem Duralumin vergleichbare Leichtmetalllegierung zu produzieren. Hersteller war hier die Firma Alcoa, der zu dieser Zeit weltweit größten Aluminiumproduzentin.225

27Die Verwendung von Dural brachte aber auch Probleme mit sich. Es konnte nicht geschweißt werden und machte eine Weiterverarbeitung schwierig. Erst das Nieten vereinfachte die Verarbeitung so weit, dass sich für das Dural ein breiteres Anwendungsspektrum erschloss.

  • 226 Hollbach 1939. Seite 176.

28Ein weit größeres Problem des Dural war jedoch, dass es in seiner reinen Form stark zur Korrosion neigt, wenn es mit Sauerstoff in Berührung kommt: „Die Korrosionsbeständigkeit der kupferhaltigen [Aluminium-] Legierungen ist schlechter als die der kupferfreien.“226

  • 227 Crouch 2003. Seite 171.
  • 228 Brenner 1931. Seite 644.

29Salzhaltige Luft und Salzwasser verstärkten das Problem weiter.227 „Eindringendes Seewasser setzt sich hauptsächlich in den unzugänglichen Ecken an Verbindungsstellen der Innenkonstruktion fest. Das Austrocknen des Flügelinnern geht wegen schlechter Lüftung und weil sich verdampftes Wasser sofort wieder an den kühleren Metallflächen niederschlägt, nur außerordentlich langsam vonstatten. Durch das Verdampfen und Kondensieren des Wassers ändert sich ferner ständig die Salzkonzentration an den Korrosionsstellen, was einen beschleunigten Angriff im Gefolge hat.“228 Da die im Flugzeugbau verwendeten Duralteile sehr dünnwandig waren und dünnwandige Bleche schneller von Korrosion zerstört werden, war das Korrosionsproblem des Dural von sehr ernster Natur.

  • 229 Crouch 2003. Seite 171.

30Diese Korrosionsanfälligkeit des Dural spielte im Krieg jedoch keine große Rolle, da die Lebenserwartung eines Flugzeugs ohnehin sehr gering war.229

  • 230 Flight vom 22.05.1931. Seite 464.

31Das Rostproblem von Duralumin wurde 1927 durch den Alclad-Prozess (auch Plattierung genannt) gelöst. „Alclad might be described as a 'duralumin sandwich', the meat or core being plain duralumin coated on each side with pure aluminium. Theoretically, the pure aluminium is electro-negative to the aluminium alloy, and in the case of galvanic action acts as a barrier to corrosion to the core. The aluminium coating thus serves as a guard against corrosion, similar to the action of zinc on steel.“230 Man bedient sich also einer Form von Korrosion, um eine andere zu verhindern.

  • 231 Flight vom 14.11.1930. Seite 1236.

32Auch Kratzer in dieser Schutzschicht sind kein Problem: ,,It is said that if this thin film is scratched, the chemical action causes it to 'heal', [...].“231 Die Deckschicht über dem Dural kann aber auch aus einer kupferfreien Aluminiumlegierung, zum Beispiel einer Aluminium-Magnesium-Legierung, bestehen.

  • 232 Hollbach 1939. Seite 179.

„Fertigteile werden nach dem elektrischen Oxydationsverfahren (Eloxalbehandlung) behandelt, wodurch die Oberfläche zu Aluminiumoxyd umgewandelt wird. Die Eloxalschicht ist porös und muß deshalb mit Chromsalzen oder Kunstharz nachgedichtet werden; die Schicht bietet einen guten Untergrund für Anstriche aller Art.“232

33Zu den Gründen für die lange Zeitspanne bis zur Lösung des Korrosionsproblems gehört auch, dass die Korrosionsanfälligkeit des Durals anfangs nicht erkannt wurde. Die Lebenserwartung eines Flugzeugs war dafür einfach oft zu kurz.

34Außer zu einer witterungsbeständigen Deckschicht wurden Aluminium-Magnesium-Legierungen auch zu Drähten, Nieten und Rohren verarbeitet.

  • 233 Hollbach 1939. Seite 177.

35Die leichtesten im Flugzeug- und Motorenbau verwendeten metallischen Werkstoffe waren Magnesiumlegierungen. Sie sind empfindlich gegenüber Korrosion und wurden zur Herstellung von Anschlussbeschlägen, Fahrwerksträgern, Motortragringen, Motoren- und Pumpengehäusen, Brennstoff- und Ölbehältern, Klappen, Verkleidungen, Blechen, Pressprofilen, Rohren und Schmiedestücken verwendet.233

3.2 Das „deutsche“ Metall

  • 234 Nicolaus 1927. Seiten 327, 328.

361909 präsentierte die Firma Griesheim-Elektron anlässlich der Internationalen Luftfahrtausstellung in Frankfurt a. M. das von ihr entwickelte Elektronmetall. Die schwierige Verarbeitung ließ jedoch nur wenig Interesse seitens der Luftfahrtindustrie aufkommen. Das änderte sich im Ersten Weltkrieg: „Erst der Krieg mit seiner Rohstoffknappheit, dem Suchen nach Ersatzstoffen führte wieder zu einer intensiveren Beschäftigung mit Elektron und brachte die entscheidende Wendung, dass das Material aus dem Versuchsstadium in das Stadium einer großen Produktion übergeleitet werden konnte.“234 Durch neue Presstechniken konnte man das Metall ebenso leicht verarbeiten wie Messing oder Aluminium. In der Zwischenkriegszeit halfen neue Gussverfahren die Verarbeitung des Elektrons weiter zu verbessern.

  • 235 Ebenda. Seite 328.

37Elektron besteht zu über 90% aus Magnesium und erhält Zusätze beispielsweise aus Aluminium, Silizium, Zink und Mangan. Die Verarbeitung des Elektrons ist einfacher als die des Aluminiums, da es unabhängig von einer Wärmebehandlung ist. „Es ist also bei Elektron ohne weiteres möglich, auf dem Flugplatz einen zerbeulten Rumpf mit Lötlampe und Holzhammer in Ordnung zu bringen.“235

38Die Festigkeitswerte des Elektrons sind je Legierung, wie bei anderen Leichtmetallen auch, verschieden.

  • 236 Ebenda. Seiten 333.

39Wie Duralumin neigte Elektron anfangs ebenfalls zur Korrosion, welche jedoch durch verbesserte Legierungen und Schutzlacke verhindert werden konnte: „Die Beständigkeit des Elektrons gegen irgendwelche äußeren Einflüsse wird natürlich durch einen entsprechenden Schutzanstrich wie bei jedem anderen Metall auch beträchtlich erhöht.“236

  • 237 Rohrbach, Adolf: Entwurf und Aufgaben des Leichtbaus, in: Jahrbuch der Wissenschaftlichen Gesellsch (...)

401926 hatte Rohrbach dem Elektron noch keine besondere Zukunft vorausgesagt: „Electron ist zu wasserempfindlich, um für die lebenswichtigen Flugzeugteile verwendet zu werden, dagegen ist es für kleinere Armaturen, wenig beanspruchte Hebel etc. gut zu brauchen.“237

  • 238 Nicolaus 1927. Seiten 347.

41Dagegen prophezeite Nicolaus 1927, dass Elektron eine zunehmend wichtigere Rolle im Flugzeugbau spielen würde: „Es ist anzunehmen, dass eine steigende Verwendung von Elektron einen außerordentlichen Fortschritt in wirtschaftlicher und technischer Beziehung bedeuten wird, zumal mehr als wahrscheinlich ist, daß der heutige Stand der Metallforschung für Elektron noch nicht der endgültige sein wird.“238

  • 239 Vgl. ebenda. Seite 329.; Berg 1927. Seite 497.

42Im Zuge der Wiederaufrüstung Deutschlands und den Autarkiebestrebungen des „Dritten Reiches“ geriet Elektron wieder in den Fokus (es hieß unberechtigterweise, dass das Leichtmetall eine erhöhte Feueranfälligkeit besitze239) der offiziellen Stellen, da es eine billige und einfache Alternative zum Aluminium darstellte.

  • 240 Budraß 1998. Seite 211.

„Für die Herstellung von Elektron aus deutschen Rohstoffen mussten im Gegensatz zur Aluminiumproduktion aus Ton keine besonderen Verfahren entwickelt werden.
Die Herstellung von Elektron basierte auf Karnallit, dem wichtigsten der mitteldeutschen Kalisalze. Später genügten sogar die Abraumsalze der Kaliherstellung. Kalisalz hat eine orange-rote bis hellbraune Farbe, die durch die eingelagerten Eisenoxide hervorgerufen wird. Das herauslösbare und chlorfreie Magnesium ist ideal für die Metallverarbeitung. Hinzu kommt, dass es in Mitteldeutschland große Vorkommen von Kalisalzen gibt.
Neue Verfahren zur Magnesiumgewinnung aus Kalisalz führten im Laufe der 1930er Jahre zu einem Preisverfall bei Magnesium. Die Anwendungshäufigkeit entwickelte sich jedoch nicht proportional zum sinkenden Preis. Zwar fiel das Verhältnis von Gewicht zur Festigkeit gerade im Flugzeugbau eindeutig zugunsten des Elektrons und gegen Duralumin aus. Das Misstrauen gegen das Metall verlor sich aber trotz aller Bemühungen nicht über Nacht, zumal seine Korrosionsanfälligkeit - besonders in Salzwasser - technisch nicht völlig beherrscht wurde.“
240

43Da nun aber Elektron einige Probleme der deutschen Rüstungsplanung ausräumte, steigerte man sich in der zweiten Hälfte der 1920er Jahre auf offizieller Seite in eine wahre Elektron-Euphorie. Es wurde beschlossen, bei Leipzig das weltweit erste ElektronWalzwerk überhaupt zu errichten und auch eine weltweit einzigartige Spritzgussmaschine wurde in Auftrag gegeben.

  • 241 Ebenda. Seite 212.
  • 242 Ebert, Hans J.; Kaiser, Johann B.; Peters, Klaus: Die deutsche Luftfahrt. Willy Messerschmitt - Pio (...)

44Die Firma Albatros baute ab 1927 mit der „Elektra“ das erste Flugzeug, das ausschließlich aus Elektron bestand. Versuche und Untersuchungen an diesem Modell zeigten aber, „dass Elektron als Ersatz für Duralumin nicht uneingeschränkt brauchbar war.“241 Im Zuge der Elektron-Euphorie erging vom Reichsverkehrsministerium 1929 an mehrere Flugzeugfirmen der Auftrag die Anwendungsmöglichkeiten von Elektron im Flugzeugbau zu untersuchen. Die Bayerischen Motorenwerke (BMW) sollten beispielsweise ihr Flugzeug M 26 aus Elektron bauen. Es zeigte sich sehr bald, dass aus Gründen aufwendigerer Verarbeitungsmethoden und geringerer Festigkeit die Konstruktionspläne der M 26 nicht ohne weiteres dem Elektron angepasst werden konnten. Die Arbeiten wurden daher schnell eingestellt, und Elektron wurde nur noch für wenig belastete Teile, zum Beispiel einfache Verkleidungen, verwendet.242

  • 243 The German Magnesium Industry, BIOS Misc. Rep. No. 5, UB Bochum, zur Verwendbarkeit des Magnesiums.

45Der Ruf der Legierung als Autarkiemetall blieb jedoch erhalten und setzte sich soweit durch, dass in allen Flugzeugen der Luftwaffe schließlich Konstruktionsteile aus Elektron verwendet wurden.243

3.3 Holz ist nicht gleich Holz

  • 244 Merkel, Manfred; Thomas, Karl Heinz: Taschenbuch der Werkstoffe. München 2008. Seite 544.

„Holz ist der organische Baustoff höherer Pflanzen und stellt ein hartes, festes Zellgewebe dar, das vom Kambium unter der Rinde erzeugt wird.“244

46Wie „Metall“, stellt auch „Holz“ als Werkstoff einen Sammelbegriff sehr verschiedener Werkstoffe dar.

  • 245 Vgl. Wissmann 1975. Seite 322; Vgl. auch Hollbach 1939. Seite 177.

47Zunächst zum Vollholz: Bei Holzflugzeugen mit nichttragender Außenhaut wurde das Rumpf- und Flügelgerüst meist aus Massivholz hergestellt. Das übliche Material für Rippengurte, Spantstäbe, Luftschrauben und Holmlamellen war dabei Kiefern- oder Eschenholz, selten auch Bambus.245 Anschließend wurde das Flugzeug mit Stoff, Sperrholz oder Dural beplankt.

  • 246 Vgl. Hollbach 1939. Seite 177.

48Eine wichtige Rolle spielten ab etwa 1912 auch Sperr- und Pressholzverkleidungen und -rümpfe. Für Sperr- oder Schichtholz wurde hier hauptsächlich Birke oder Buche verwendet.246

49Sperrholz wird hergestellt, indem man mehrere Lagen Furnier im rechten Winkel zueinander übereinander leimt. Sperrholz hat gegenüber Massivholz den Vorteil, dass es eine höhere Formbeständigkeit besitzt. Weiterhin stellt die natürliche Formlimitierung des Holzes durch die Sperrholztechnik kein Problem mehr da, weil Sperrholz aus einzelnen Holzstücken zusammengeleimt wird. Die verwendeten Stücke können dabei Korngröße besitzen.

  • 247 Perry, Thomas D.: Modern Plywood. New York 1942. Seite 18 – 47.

„Plywood also reduces the variability of wood by allowing adjacent layers to compensate for small defects and variations. The thin veneers are also easier to inspect for defects than solid lumber. In addition, plywood can be more easily formed into curves shapes than solid wood.“247

50Diese Eigenschaften machten es möglich stromlinienförmige und selbst tragende Rümpfe ohne innerer Stützstruktur oder Stützverspannung aus Sperrholz herzustellen.

  • 248 Vgl. Schatzberg 1999. Seite 115.

51Die Forschungen des Franzosen Deperdussin führten 1912 zum ersten Flugzeug mit Sperrholzrumpf. Deperdussin leimte erst eine Schicht Furnierstreifen auf einen Attrappenrumpf. Anschließend folgte eine Schicht Stoff. Die folgende Furnierschicht wurde im rechten Winkel zur ersten aufgeleimt. Dann folgte wieder Stoff und wieder Furnier. Am Ende wurde die Attrappe herausgenommen und der selbsttragende Rumpf war fertig. Diese Prozedur dauerte allerdings mit den ständigen Trocknungspausen sieben Tage und war wegen der erforderlichen Handarbeit sehr aufwändig.248

  • 249 Vgl. ebenda. Seite 117.

52Versuche, dieses Verfahren zu vereinfachen, zeigten erst 1919 mit der „plywood molding method“ Erfolg. Eingeführt wurde diese Methode durch Anthony Stadlman bei der Firma Loughead. Das Neue an dieser Methode war, dass alle Schichten des selbsttragenden Sperrholzrumpfes gleichzeitig in einer Form miteinander verleimt wurden. Der Rumpf wurde nicht komplett hergestellt, sondern aus zwei Hälften zusammengesetzt.249

  • 250 Casein ist ein grobflockig gerinnendes Protein und die wichtigste Eiweißart der Milch. Es wird unte (...)
  • 251 Vgl. Schatzberg 1999. Seite 127.
  • 252 Baekeland, Leo Hendrik (*14.11.1863 in Ghent, Belgien; † 23.2.1944 in Beacon, New York, USA).
  • 253 0,05 bis 0,1mm dicke Folien aus bakelitartigen Phenol-Formaldehydharzen.

53Schwachpunkt der Sperrholzbauweise waren die Leime. Üblich war nach dem Ersten Weltkrieg die Verwendung von Caseinleimen250, welche sich jedoch anfällig gegenüber Feuchtigkeit und verschiedenen Mikroorganismen zeigten.251 Die Haltbarkeit und Lebensdauer dieser Leimverbindungen war also gerade in feuchter Umgebung ungenügend. Erst die Verwendung von Kunstleim, auch Kunstharz genannt, machte das Sperrholz widerstandsfähiger gegen Witterungseinflüsse. Dieser Leim (oder Harz) wurde 1907 durch den belgischstämmigen Amerikaner Leo Baekeland252 entwickelt und 1912 von ihm als Alternative zu den organischen Leimen patentiert. Industriell wurde Kunstharz erstmals 1926 in Deutschland von Thomas E. Goldschmidt als Tego Film253 produziert.

  • 254 Vgl. Hollbach 1939. Seite 178.
  • 255 Vgl. ebenda. Seite 177.

54Eine zweite Kunstleimgruppe sind die flüssigen Harnstoff-Formaldehydharze (Aminoplaste), die sowohl als Warm- wie als Kaltleime (Kaurit) verwendbar sind. Als Warmleime werden sie ebenfalls zur Sperrholzherstellung benutzt, während sie als Kaltleime hautsächlich für Leimverbindungen an Flugzeugkomponenten Anwendung finden.254 Das neue Kunstharz war stärker als die traditionellen Leime und reduzierte die Feuchtigkeitsabsorption erheblich. Auch bei der Verleimung der Furniere mit paralleler Faserrichtung, dem so genannten Schichtholz, ergibt der hohe Kunstharzgehalt eine etwa doppelt so hohe Druckfestigkeit und Querfestigkeit wie das Vollholz. Aus Schichtholz wurden beispielsweise Holmgurte und Luftschrauben hergestellt.255

55Erst durch die Kunstleime wurde das Sperrholz zur Konkurrenz für das Dural. Durch Kunstleime und Kunstharze wurden moderne Kompositwerkstoffe, wie faserverstärkte Kunststoffe, die im heutigen Flugzeugbau unabdingbar sind erst möglich.

56Kunstharze sind zum Beispiel Phenoplaste und Thermoplaste. Phenoplaste werden als Pressstoffe mit Holzmehl- oder Gewebeschnitzel-Füllstoffen zu Massenartikeln wie Gehäuse und Einzelteilen von Bordgeräten, Seilrollen, Führungsteilen, Griffen, etc. verpresst. Ihre großen Vorteile sind das niedrige spezifische Gewicht und die Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeitseinflüssen und Betriebsstoffen. Auch das britische „Aerolite“ ist ein solches phenolbasiertes Kunstharz, das als Zugabe Flachsfasern enthält.

  • 256 Vgl. ebenda. Seite 178.

57Thermoplaste (Mischpolymersiate aus Vinylverbindungen bzw. Polyakrylsäureester) werden wegen ihrer guten Lichtdurchlässigkeit und ihrer leichten Verformbarkeit zu Führerraumverkleidungen, Scheinwerfereinbauten und ähnlichen Zwecken verwendet.256

  • 257 Angaben zu Duramold aus: McDonald, John J.: Howard Hughes and the Spruce Goose. The story of the la (...)
  • 258 Hughes hatte die Rechte für das Duramold 1939 Sherman Fairchild abgekauft.
  • 259 McDonald 1981. Seite 101. Dies entspricht etwa einer Dicke von acht Millimetern.
  • 260 Ebenda. Seite 101.
  • 261 Hughes Flying Boat - World‘s Largest Airplane. In: Automotive and Aviation Industries. 15.08.1945. (...)

58Howard Hughes verwendete für seine legendäre „Spruce Goose“ ein spezielles Sperrholz namens „Duramold“257. Hughes hatte sich dabei der Erfahrungen der Firma Fairchild bedient258. Duramold ist dem Sperrholz sehr ähnlich: Schichten aus einzelnen Furnierstücken werden übereinander geleimt. Besonders ist, dass die Furnierstücke sehr dünn sind („one-thirty-second an inch“259). Die Duramold-Stücke wurden in speziellen Formen gepresst und anschließend durch ein geheimes Verfahren, das die Verwendung von Dampf einschloss, geformt. Ebenfalls besonders war, dass eine Furnierschicht komplett und ohne Nahtstellen mit Furnierstücken belegt wurde. „This method provided not only greater strength, but also eliminated any surface disturbance for the air flow. The skin of the Flying Boat is uniformly smooth.“260 Neue Maschinen mussten für den Duramold-Prozess entwickelt werden: „Glue pressure for attaching the hull skin was provided by thousands of small nails driven by specially developed nailing guns. After the glue was cured the nails were removed by specially developed nail pullers. Approximately eight tons of nails were used.“261

  • 262 Epoxidharze bestehen aus Polymeren, die je nach Reaktionsführung unter Zugabe geeigneter Härter ein (...)
  • 263 Barton 1982. Seite 82.

59Auch der Leim war eine Besonderheit: „Intensive basic research in glues by two subcontractors resulted in the earliest practical solutions to the use of epoxy resins262, which are chemical, thermosetting glues rather than organic glues. Further research and development resulted in special machinery and equipment for bonding, curing, and forming of high quality plywoods. Three different types of epoxy resin glues were used: phenol formaldehyde resin cured by heating to 300°F, a urea formaldehyde resin which cured at 70°F or above, and a medium-temperature resorcinal formaldehyde type glue that became available after the project was well under way.“263

  • 264 McDonald 1981. Seite 101.

60Die hohen Ansprüche, die Hughes an das Material stellte, führten dazu, dass er Sperrhölzer ablehnte, welche die Briten beispielsweise ohne Beanstandung für die Mosquito verwendeten.264

Abbildung 14: Bild aus DURAMOLD-Werbung der Firma Fairchild

Abbildung 14: Bild aus DURAMOLD-Werbung der Firma Fairchild

LIFE-Magazin 30.08.1943. Seite 90

  • 265 Flight vom 24.01.1946. Seite 86.

61Einen interessanten Gemischtbau aus Holz und Metall verwendete die Firma De Havilland unter anderem für die D.H. Hornet. Sie verklebte in einem „Redux“-Verfahren Sperrholz direkt mit Duralblech: „Very briefly summarised, the wing is a two-spar structure of 45ft. span and is made in one piece. Light-alloy extrusions are embodied in spars of mixed construction; ribs are either of wood, alloy or a mixture of the two, and the skin is a wood sandwich on top and metal below. In the main, wood is used in compression and shear, and metal in tension.“265

Abbildung 15: Gemischtbau bei der D.H. "Hornet"

Abbildung 15: Gemischtbau bei der D.H. "Hornet"

Aus: Flight (24.01.1946). Seite 87

3.4 Stoff ist nicht gleich Stoff

  • 266 Hollbach 1939. Seite 178.

„Zur Bespannung von Fachwerkkonstruktionen bei kleinen und mittleren Flugzeugen finden meist Gewebe aus Leinen und Baumwolle Verwendung. Je nach Flächenbelastung der Maschine werden Stoffe verschieden hoher Festigkeit und entsprechenden Gewichtes verarbeitet. Die leichteste Bespannstoffart wiegt etwa 100g/m2 und besitzt eine Festigkeit von 700kg/m Breite, die schwerste wiegt 180g/m2 und besitzt eine Festigkeit von 1800kg/m Breite.“266

  • 267 Vgl. Richthofen 1929. Seite 10.
  • 268 Vgl. Ebert, Kaiser, Peters 2008. Seite 261.
  • 269 Arendt, Franz Joseph; Dörner, H.: Struktur und Zelle, in: Bölkow 1990. Seite 102.

62Die Steigerung der Fluggeschwindigkeiten brachte die Leinwand an ihre Festigkeitsgrenze. Ihr Ersatz durch Beblankungen aus Sperrholz oder Metall wurde alleine schon deshalb nötig.267 Stoff wurde aber weiterhin zur Bespannung der Ruderflächen verwendet, wodurch gegenüber einer Blechbeplankung eine Gewichtsreduzierung erzielt werden konnte. Erst die hohen Fluggeschwindigkeiten, die das Jetzeitalter mit sich brachte, machten den Stoff auch bei den Steuerflächen obsolet.268 In neuerer Zeit hat Stoff und Draht bei dem Bau von Drachen und Ultraleichtflugzeugen wieder große Bedeutung gewonnen.269

  • 270 Molloy, E.: Aircraft Production. A practical Survey of Materials and Processes used in the Construc (...)

63Wie der Bespannungsprozess mit Stoff genau vor sich ging, erläutert das folgende Zitat: „A number of pieces are cut simultaneously from a pattern, and several are stitched together so that they will cover the entire wing, top and bottom. This is wrapped around the wing so that the two edges join near the under surface of the trailing edge, the various joints being made with a special stitch. Reinforcing strips and patches are added wherever required, and the whole work calls for highly skilled attention. After assembly the fabric is treated with dope in a separate department set aside for this work, the temperature being kept at a constant temperature of 65° F. A first application of a dope with sun- resisting properties is made with stiff brush, and certain patches are added. This is followed by another similar coat of dope. Two or more coats of a pigment dope are sprayed after this, each being allowed to dry before the next is applied. The final stage, after the addition of identification and other markings, is the application of a coat of transparent dope and then varnish.“270

  • 271 Flight vom 17.04.1941. Seite 287.
  • 272 Ebenda. Seite 288.
  • 273 Ebenda. Seite 288.

64Verwendete man anfangs reinen Baumwollstoff zum Bespannen, wurden schon früh Versuche unternommen, durch das Auftragen verschiedener Substanzen den Baumwollstoff widerstandsfähiger und glatter zu machen. Der Brite Wallace Barr erfand daraufhin den mit Cellon imprägnierten Flugzeugstoff, der sich ab 1910 zunehmend als Hauptbespannungsstoff von Flugzeugen durchsetzte: „The original Cellon dope had cellulose acetate as a basis, and to it were added the appropriate plasticisers and solvents (the latter was amyl acetate).“271 Während des Ersten Weltkriegs wurde die Rezeptur weiter verfeinert: „During the last war the use of tetrachlorethane was abandoned and the present nitrocellulose adopted as a basis for aircraft dopes.“272 Der mit Cellon impränierte Stoff wurde abschließend noch mit der gewünschten Farbe bestrichen. Zum Impränierungsprozess schrieb Flight: „ The mixer was a 10-gallon drum, and the 'works' were a small shed at Clapham. The solid ingredients were placed in the drum, and one-half of the solvents were added. The mixture was stirred with a broomstick, which was graduated to show the amount of solvent which had to be added to make the correct mixture. The dope was then left until the next morning, when the rest of the solvent was added and the mixture stirred again.“273

3.5 Werkstoff-Festigkeit im Wandel der Zeit274

  • 274 Aus: Arendt, Franz Joseph; Dörner, H.: Struktur und Zelle, in: Bölkow 1990. Seite 116.

65Die kontinuierliche Entwicklung der Leichtbauweisen wäre ohne die dazu notwendigerweise parallel verlaufende Entwicklung der Werkstoffe nicht möglich gewesen. Vergleiche der Bruchfestigkeitswerte der Werkstoffe über viele Jahrzehnte sind erschwert, da sich in dieser Zeitperiode die Dimensionsangabe für Spannungen (Kraft bezogen auf die Fläche) mehrfach geändert hat. Gab man die Werte zunächst in kg/m2, später in kp/cm2 und nach dem Zweiten Weltkrieg in N/mm2 an, so ist heute die übliche Bezeichnung MPa (MegaPascal).

66Holz, der Werkstoff der Anfänge, erreichte Bruchfestigkeitswerte je nach Belastungsrichtung (längs oder quer zur Faser) und je nach Belastungsart (Zug oder Druck) von 1100 kg/cm2 (Pappel) bis zu 2000 kg/cm2 (Esche). Verspannungsdrähte in Form von Klaviersaiten, je nach Herstellungsart und Zusammensetzung, weisen Bruchfestigkeitswerte von 8000 bis hin zu 19 000 kg/cm2 auf.

67Die Entwicklung der Leichtmetalllegierungen eröffnete neue Möglichkeiten im Verhältnis Gewicht zu Festigkeit. Das berühmte Duralumin erbrachte einen maximalen Bruchfestigkeitswert von 4400 kg/cm2.

68Die in unserer Zeit zum Einsatz kommenden modernen Leichtmetalllegierungen werden ständig durch neue Legierungszusätze (bespielsweise Lithium) und noch ausgefeiltere, zum Teil mehrstufige Wärmebehandlungsprozesse in ihren Eigenschaften verbessert. Je nach Gussart, Walz- oder Reckart (kalt oder warm), Art des Halbzeugs (Blech, Band, Pressprofile, Platten, Stangen, Rohre usw.) sind heute Legierungen im Handel, die eine maximale Bruchfestigkeit von 9500 kg/cm2 haben (Titanlegierung).

69Im Leichtbau konstruiert sich heute der Flugzeugbauer seinen Werkstoff selbst. Aus Fasern (Belastungsaufnehmer) und Matrix (Bettungsmasse) entstehen, als Anleihe aus der Natur, belastungsgerecht ausgelegte und geformte Bauteile.

  • 275 1 MPa = 1 N/mm2 = 10 kg/cm2

70Glasfasern können Bruchfestigkeitswerte bis 4000 N/mm2 (MPa)275, Aramidfasern bis 3000 MPa und Kohlenstoff-Fasern bis 5000 MPa erreichen.

71Die Harzsysteme kommen auf Bruchfestigkeiten, die variabel im Hinblick auf die Belastungsart ausfallen: Polyester 90/80/150 MPa (Zug/Druck/Biegung), Phenol 60/100/120 MPa, Epoxid 140/200/180 MPa, Polyimid 75/170/100 MPa.

72Der komponierte Verbundwerkstoff im Bauteil wird je nach Aufbau (Faserart, Fasergehalt, Winkellage der Faserschichten, Harzsystem usw.) beim Einsatz von Kohlenstoff-Fasern mit Bruchfestigkeitswerten von ca. 300 bis 700 MPa aufwarten können.

3.6 Flugzeugwerkstoffe nach dem Zweiten Weltkrieg

  • 276 Schatzberg 1999. Seite 226, 227.
  • 277 Der Begriff Jägernotprogramm bezeichnet ein gegen Ende des Zweiten Weltkriegs entwickeltes Konzept (...)
  • 278 Vgl. Köhler, H. Dieter: Die deutsche Luftfahrt. Ernst Heinkel - Pionier der Schnellflugzeuge - Eine (...)

73Die Fluggeschwindigkeiten, die sich auch dank der neuen Strahltriebwerke gerade im militärischen Bereich immer schneller erhöhten, erforderten neue Werkstoffe im Flugzeugbau aber auch in der Raketenentwicklung, da vor allem Holzstrukturen sowie Aluminiumverbindungen zunehmend unbrauchbar wurden. „The most pressing problem was the high air temperatures produced by supersonic flight, which quickly reduced the strength of aluminium alloys.“276 Dass Holzstrukturen mit den hohen Fluggeschwindigkeiten, welche die neuen Düsentriebwerke erlaubten, enorme Probleme hatten, zeigte sich bereits während des Zweiten Weltkriegs. Die deutsche He 162, ein Düsenabfangjäger der letzten Stunde, der im Rahmen des Jägernotprogramms277 entwickelt und gebaut worden war, litt schon bei seinen ersten Flügen unter Strukturproblemen. Am 10. Dezember 1944 verunglückte die zweite Versuchsmaschine als auf Grund von Verleimungsproblemen die rechte Flächennase abplatzte und das Querruder wegflog.278 Anschließend mussten zahlreiche Veränderungen vor allem bei der Holzverleimung vorgenommen werden. Auch wenn die He 162 von vorne herein als Verschleißgerät konzipiert gewesen war, so überstiegen die anfänglichen strukturellen Schwächen sicherlich den Rahmen des Tolerierbaren.

  • 279 siehe Kapitel über Geoffrey de Havilland.

74Auch das Schicksal der D.H.10 8279 zeigte, dass Holzstrukturen enorme Schwierigkeiten mit den hohen Belastungen des Fliegens nahe der Schallgeschwindigkeit hatten.

  • 280 Vgl. Arendt, Franz Joseph; Dörner, H.: Struktur und Zelle, in: Bölkow 1990. Seite 110. Ein Beispiel (...)

75Auch der entstehende zivile interkontinentale Luftverkehr verlangte nach Werkstoffen, die dessen Flugzeugen und deren Strukturen dauerhafte Stabilität garantierten. Die Frage des Ermüdungsverhaltens der Flugzeugzelle trat gegenüber der rein statischen Festigkeit stark in den Vordergrund. Das Ermüdungsproblem zeigte sich, verstärkt durch die lange Nutzungsdauer, die vielen tausend Starts und Landungen sowie insbesondere im Rumpf durch die wechselnden Druckbelastungen bei großen Reiseflughöhen. Es ereigneten sich neuartige Unfälle, die durch Ermüdungsrisse verursacht wurden.280

  • 281 Erstflug 1959.
  • 282 Crouch 2003. Seite 462, 463. Vgl. auch Flight vom 08.05.1959. Seite 639.
  • 283 Flight vom 08.05.1959. Seite 639. 1.000 Grad Fahrenheit entsprechen etwa 538 Grad Celcius.
  • 284 Eine Nickel-Legierung.
  • 285 Flight vom 08.05.1959. Seite 639.

76Die North American X-15281, eines der ersten Überschallexperimentalflugzeuge der US-Amerikaner, konnte aus strukturellen Gründen nicht mehr aus Aluminium hergestellt werden.282 Das Hauptproblem beim Bau der Struktur der X-15 war Flight zufolge: „[...] the fact that almost the entire aircraft might experience peak skin temperatures as high as 1,000 deg F.“283 Zu den verwendeten Materialien wird angemerkt: „[...] in the event the choice fell upon an airframe fabricated from a mixture of stainless steels and titanium beneath an outer skin of Inconel X284. Aluminium alloys are restricted to internal applications where the ambient temperatures and stresses permit their use.“285 Diese Werkstoffe blieben auch im Überschallflug und den dabei entstehenden sehr hohen Reibungstemperaturen stabil.

  • 286 Crouch 2003. Seite 515.

„[...], weight savings now required the use of lightweight materials capable of withstanding the extreme temperatures inside a jet engine and the heat generated by flight beyond the speed of sound.“286

  • 287 Leicht, fest, dehnbar, weiß-metallisch glänzend und korrosionsbeständig ist Titan besonders für Anw (...)

77Vor allem Titan287, aber auch spezielle Edelstahlverbindungen kamen verstärkt zum Einsatz.

  • 288 Erstflug: 14.04.1962.
  • 289 Flight vom 03.05.1962. Seite 694.

78Auch das britische Experimentalflugzeug Bristol 188288 musste Anfang der 1960er Jahre wegen der auf es einwirkenden physikalischen Kräfte aus damals neuen Werkstoffen hergestellt werden: „The Bristol 188 is the first British aeroplane, and one of the first in the world, designed to fly so fast that kinetic heating prohibits the use of traditional materials. [...]. Evaluation of possible materials began by plotting specific strength and modulus against temperature. These curves suggest that commercially-pure beryllium and the Al/Mn titanium alloy are outstanding; but the former is even today out of the question as a major structural material, and even seven years ago the titanium alloy was neither a known quantity nor commercially available. Eventually it was decided to make the major part of the airframe from two grades of stainless steel, which promised to be more readily available in usable form and to pave the way for structures potentially capable of use at temperatures higher than those which the 188 is designed to reach.“289

Abbildung 16: Experimentalflugzeug Bristol 188

Abbildung 16: Experimentalflugzeug Bristol 188

Aus: Flight (03.05.1962). Seite 693

  • 290 Vgl. Crouch 2003. Seite 516.
  • 291 Flight vom 08.05.1959. Seite 640.

79Um das Gewicht zu reduzieren, die Struktur aber gleichzeitig stabiler zu machen, wurden nun komplexe Strukturelemente an einem Stück gefertigt (Integralbauweise). Die Niete wurde zunehmend durch andere Verbindungsmethoden abgelöst, um die Oberfläche zu glätten.290 Bei der X-15 wurden beispielsweise die meisten Verbindungen durch Schweißen hergestellt: „In sharp contrast to normal practice, some 65 per cent of the airframe joints are welds.“291

  • 292 Die Mach-Zahl (benannt nach dem Physiker und Philosophen Ernst Mach) ist eine physikalische und dim (...)
  • 293 Erstflug 1964.
  • 294 1 square-foot (Quadratfuß) entspricht etwa 0,09 Quadratmeter.
  • 295 Crouch 2003. Seite 516.

80Hochleistungsflugzeuge, wie das Mach292 3 schnelle Aufklärungsflugzeug Lockheed SR-71293 bestanden fast vollständig aus Titan und waren damit sprichwörtlich ihr Gewicht in Gold wert. Die Verarbeitung von Titan ist schwierig und aufwändig. 1950 musste daher für Titanoberflächen mit einem Preis von 200 bis 600 US-Dollar pro square-foot294 gerechnet werden!295

Abbildung 17: Strategischer Höhenaufklärer SR-71 "Blackbird"

Abbildung 17: Strategischer Höhenaufklärer SR-71 "Blackbird"

Aus Flight (20.05.2003). Seite 12

  • 296 Erstflug 1964.
  • 297 Eden, Paul: Mikoyan MiG-25 „Foxbat“. In: Encyclopedia of Modern Military Aircraft. London 2004. Sei (...)
  • 298 Die Sowjetunion stellte Titan erstmals Ende 1953 industriell her (Gunston, Bill: The Osprey Encyclo (...)
  • 299 Die Lockheed A-11 war der konzeptionelle Vorgänger der SR-71, der schon viele Merkmale der SR-71 be (...)
  • 300 NATO-Codename der MiG-25.

81Dass der Trend zur Verwendung von Titan nicht in allen Ländern zu finden ist, zeigt die sowjetische Mikojan-Gurewitsch MiG-25296, die konstruiert wurde, um die SR-71 abfangen zu können. Als 1976 ein russischer Pilot mit seiner MiG-25 nach Japan dessertierte, stellten westliche Geheimdienste mit Verwunderung fest, dass der Titan- und Aluminiumanteil bei dem Abfangjäger relativ gering war. Die MiG-25 bestand zu 80 Prozent aus einer Nickel-Stahl-Legierung, zu 11 Prozent aus Aluminium und nur zu 9 Prozent aus Titan.297 Flight fasste die Erkenntnisse bezüglich der verwendeten Materialien bei der MiG 1977 wie folgt zusammen: “With hindsight, the major surprises which followed examination of Lt Belenko's MiG-25 should not have been surprises at all. Although the Soviet Union is well up in titanium technology now, it is knowledge that has been acquired only recently298. Faced with a requirement for a Mach 3 intercepter in production by 1964, the Mikoyan bureau had no chance to carry out the first-principles research into titanium fabrication which the A-11299 programme was spurring in the US. The Foxbat300 was accordingly built of steel, with Titanium used only in critical hot- spots such as the leading edges and tailpipes.

  • 301 North American A-5 Vigilante, Erstflug 1958.
  • 302 Flight vom 23.04.1977. Seite 1122.

The use of steel is unique and ingenious, and comparatively labour-intensive. Arc-welding is used extensively to build up components which would be cast or forged in Western aircraft. The skins are steel sheet with reinforcements of steel welded in place. The wide-scale use of steel may seem primitive, but the scorn levelled at the MiG-25 when first details appeared was misplaced. The empty weight of the Foxbat is only 17 per cent more than that of the machined-aluminium-alloy Vigilante301, and incidentally, the Vigilante uses twice as much Titanium as the Foxbat.“302

82Stahl, der seit dem Ersten Weltkrieg in Flugzeugen verbaut wurde, konnte es also in der richtigen Legierung auch im Jet-Zeitalter mit dem modernen, hochpreisigen und aufwändig zu verarbeitenden Titan aufnehmen. Auch die Fertigungsmethoden unterschieden sich, zumindest zwischen westlichen und östlichen Flugzeugbauern, offenbar signifikant.

83Von einer international vorherrschenden und akzeptierten Ansicht, wie ein modernes Hochleistungsflugzeug zu bauen sei, kann also auch nach dem Zweiten Weltkrieg nicht gesprochen werden.

Abbildung 18: Detailansicht der MiG-25

Abbildung 18: Detailansicht der MiG-25

Aus: Flight (23.04.1977) Seite 1123

84Die Forderung nach immer besseren Oberflächen, größeren Flügelstreckungen, dünneren Profilen und geringerem Strukturgewicht ließ den Wunsch nach einem Werkstoff aufkommen, der besser als die isotropen Metalle den jeweiligen Anforderungen angepasst werden konnte. Herkömmliche Metalle zeigen isotropes Verhalten, das heißt ihre physikalischen Eigenschaften weisen eine Richtungsunabhängigkeit auf.

  • 303 Zur Entwicklung der Faserverbundswerkstoffe vgl.: Arendt, Franz Joseph; Dörner, H.: Struktur und Ze (...)

85Die Natur hat das Problem des Erreichens ausgezeichneter mechanischer Eigenschaften bei sparsamstem Materialeinsatz seit Jahrmillionen gelöst. Bei Pflanzen und Tieren übernehmen die in Lastrichtung liegenden Fasern die entscheidende Rolle im Hinblick auf Festigkeit und Steifigkeit. Eine Matrix, zum Beispiel Bindegewebe oder Zellmaterial, übernimmt die Stütz- und Schutzfunktion. Fasern und Matrix setzen sich zu einem Verbund oder Komposit zusammen. Dieses Prinzip wird auch von den Faserverbundwerkstoffen verwendet: Verstärkungsfasern werden entsprechend der Belastung im Bauteil ausgerichtet und in eine Kunststoffmatrix eingebettet.303

  • 304 Zur Festigkeit der einzelnen Fasern siehe Abschnitt „Werkstoff-Festigkeit im Wandel der Zeit“.

86Die Fasern der Faserverbundwerkstoffe können aus Kohlenstoff, Aramid und Glas bestehen. Kohlenstofffasern haben eine hohe Steifigkeit, aber eine geringe Dehnbarkeit. Umgekehrt verhält es sich bei den Aramidfasern, die aus organischen Polymeren bestehen. Der Vorteil der Glasfasern liegt vor allem in ihrem günstigeren Preis304.

87Die bekanntesten Materialien der Kunststoffmatrix sind Harze aus Polyester, Phenol, Epoxid und Polyimid.

88Die einzelnen Kompositschichten werden entweder mit gleicher Faserrichtung (unidirektional) oder unterschiedlicher Faserrichtung (multidirektional) miteinander verbunden. Die Fasern einer oder mehrerer Schichten können auch miteinander verwoben werden. Es ist hier wichtig darauf hinzuweisen, dass viele Weiterentwicklungen der Faserverbundwerkstoffe erst aktuell stattfinden.

  • 305 Fiberglas = Glasfaserverstärkter Kunststoff. Der Begriff steht für ein Faser-Kunststoff-Verbund aus (...)
  • 306 Carbon = Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff. Der Begriff bezeichnet einen Faser-Kunststoff-Verb (...)
  • 307 Arendt und Dörner geben sogar 37 Prozent an. Vgl.: Arendt, Franz Joseph; Dörner, H.: Struktur und Z (...)
  • 308 Schatzberg 1999. Seite 227.
  • 309 Flight vom 21.09.1956. Seite 526.
  • 310 Brinkmann/Zacher 1999. Seite 148.

89Besonders im zivilen Bereich wurden Kompositwerkstoffe aus Fiberglas305 oder Carbon306 nach dem Krieg zunehmend wichtig. Karbon hat dabei den Vorteil, dass es 35 Prozent307 weniger wiegt als vergleichbares Metall, aber neun Mal so elastisch ist.308 Flight kommt in einem Artikel zu Fiberglas-Beplankungen zu ähnlich positiven Beurteilungen: ,,[...] a Fiberglas airframe structure, in comparison with a comparable all-metal assembly, can be produced in one-fourth of the engineering man-hours, one-sixth of the production man-hours, and 20 per cent of the tooling and equipment costs.“309 Verbundwerkstoffe aus Kohlefaser sind dafür sehr teuer. Zu Beginn der 1970er Jahre kostete ein Kilogramm Kohlenstofffaser je nach Typ bis zu 1.800 DM.310

  • 311 siehe Kapitel über die Entwicklung der Segelflugzeuge.
  • 312 Erstflug: 18.06.1981.
  • 313 Erstflug: 17.07.1989.
  • 314 „Stealth“ engl. für Heimlichkeit. Tarnkappentechnik, auch Stealthtechnik genannt, bezeichnet alle T (...)
  • 315 Crouch 2003. Seite 516.

90Seit den 1970er Jahren hielt die Verwendung von Carbon Einzug in die zivile Luftfahrt311 und auch das Militär interessierte sich für den Werkstoff, nicht zuletzt weil er die Reduktion der Radarsignatur eines Flugzeugs versprach. Die amerikanische Lockheed-Martin F-117312 und die ebenfalls amerikanische Northrop-Grumman B-2313 bestehen heute überwiegend aus Faserverbundswerkstoffen. Ihre „Stealth“-Eigenschaft314 macht es äußerst schwer sie auf dem Radar zu orten. Die aufwendige Carbonverarbeitung hat jedoch ihren Preis: Eine einzelne B-2 kostete 1988 2,3 Milliarden US-Dollar.315

  • 316 Erstflug: 28.10.1972.
  • 317 Erstflug: 27.04.2005.
  • 318 Marschall 2008. Seiten 123, 124.

91Auch im zivilen Bereich halten die Faserverbundwerkstoffe Einzug in den Flugzeugbau. Bestand der Airbus A 300316 noch zu weniger als fünf Prozent aus den neuen Komposit-materialien, enthält der A 320317 schon 15 Prozent des neuen Werkstoffs. Von einem anderen Blickwinkel betrachtet, wird der aktuelle Werkstoffwandel im Flugzeugbau deutlicher: Mitte der 1970er Jahre bestand ein Flugzeug noch zu 80 Prozent aus Aluminiumlegierungen. Derzeit sind es im zivilen Bereich noch etwa 70 Prozent, wobei aktuelle Entwicklungen zeigen, dass der Anteil weiter reduziert werden wird.318 Hierzu gibt die folgende Momentaufnahme des Flugzeugbaus Aufschluss.

92Auch Keramik und Faserverbundwerkstoffe mit Keramik werden in Zukunft bei größer werdenden Fluggeschwindigkeiten und Flughöhen an Bedeutung gewinnen, da die Hitzebeständigkeit bei steigender Geschwindigkeit, wegen der entstehenden Reibungshitze, eine immer wichtigere Rolle spielen wird.

  • 319 Schatzberg 1999. Seite 227, 228.

93Es wird aber noch einige Zeit dauern bis Kompositwerkstoffe wie Carbon die leichten Metallverbindungen als Hauptflugzeugwerkstoff ablösen. „[...] composites still have a long way to go before dethroning light alloys as the principal material for aircraft structures.“319

94Vor allem die Verarbeitungstechnik muss erst noch erlernt werden, damit „Plastik“ zu einer echten Konkurrenz für das seit so vielen Jahren bewährte Leichtmetall wird. Keramik konnte im Bereich der Raumfahrt seine enorme Hitzebeständigkeit beweisen.

  • 320 Flugzeug aus modernen Kompositwerkstoffen, das die Erde 1987 nonstop umrundete.

95Die gegenwärtige Situation erinnert an die Konkurrenzsituation zwischen Holz und Metall zu Beginn des vergangenen Jahrhunderts, wobei Carbon die Rolle des damaligen modernen Baustoffs Dural übernimmt. Dick Rutan, Pilot des Voyager Flugzeugs320 prophezeite:

  • 321 Hotz, Robert: A New Materials Revolution. In: Aviation Week & Space Technology. Heft 89 vom 30. Sep (...)

„Aluminium had served aviation well, [...], but now the age of aluminium is nearly321

3.7 Eine Momentaufnahme: Werkstoffe in aktuellen Flugzeugbau

96Der Übergang von metallenen zu modernen Flugzeugstrukturen aus Faserverbundwerkstoffen soll in der Folge durch zwei Beispiele verdeutlicht werden. Anhand des Airbus A380 wird der aktuelle Stand des zivilen Flugzeugbaus und dessen Werkstoffe beleuchtet; dagegen sollen gegenwärtige Entwicklungen des militärischen Flugzeugbaus beispielhaft durch die Konstruktionsmaterialien der Lockheed F-22 „Raptor“ dargestellt werden.

Abbildung 19: 3-Seiten-Ansicht und Leistungsdaten des Airbus A380

Abbildung 19: 3-Seiten-Ansicht und Leistungsdaten des Airbus A380

Aus Flight Supplement (20.05.2003)

97Konzipiert in den 1980er Jahren, konstruiert in den 1990er Jahren, erfolgte der Erstflug des A380 am 27. 04. 2005. Der Airbus besitzt zwei durchgehende Decks, eine Länge von 72,30 Metern und eine Spannweite von 79,80 Metern. Um bei dieser Größe das Gewicht nicht zu groß werden zu lassen und auch eine gewisse Wirtschaftlichkeit während des Betriebes (z. B. Kerosinverbrauch) zu gewährleisten wurde es nötig die modernsten Flugzeugwerkstoffe einzusetzen.

98Um eines vorweg zu nehmen: Aluminiumlegierungen bleiben beim A380 die wichtigsten Werkstoffe. 61% der Struktur des derzeit größten Passagierflugzeugs bestehen weiterhin aus diesen Materialien.

99Darüber hinaus kommen jedoch einige neue Werkstoffe und Bauverfahren zum Einsatz: „The major innovations are:

  • Carbonfibre-reinforced plastic (CFRP) composites are used for the construction of the centre wingbox, rear pressure bulkhead, unpressurised fuselage and wing ribs, in combination with advanced technologies. Intermediate-modulus carbonfibre material is also used in some areas.

  • Glare - a metal/fibre laminate - is used in the construction of the upper fuselage panels on the forward and aft sections. This equates to 3% of the A380's weight, exclusive of the 22% that is composite.

  • Airbus has also introduced two categories of advanced alloys - aluminium alloys (for the wing box) and aluminium-lithium.

  • 322 Flight vom 13.07.2004. Seite 63

100Laser beam welding technology, first introduced on the A318, is used in combination with 6000- series aluminium alloys on lower fuselage panels.“322

  • 323 Flight vom 20.05.2003. Supplement. Seite 10.

101„Glare“ steht kurz für „glassfibre reinforced aluminium“ und wird beim A380 vor allem für die vordere und hintere Rumpfstruktur verwendet. Es bietet gegenüber Aluminiumlegierungen eine 15-30 prozentige Gewichtseinsparung bei exzellenten Festigkeitseigenschaften. Zusammengesetzt ist das Komposit aus wechselnden Schichten aus Aluminium und „glassfibre reinforced bond film“. Jede Schicht hat eine Dicke von 0,38 Millimetern. Mindestens vier Schichten werden verwendet, wobei bei besonders beanspruchten Stellen auch zusätzliche Schichten hinzugefügt werden können. „The glassfibres function both as a load path and as a crackstopper between adjacent aluminium layers, [...]. Corrosion resistance is also increased relative to aluminium, he adds, with corrosion unable to penetrate the glassfibre layers. [...]. The material can be treated as aluminium by the operator for repairs, [...]. We're still defining inspection intervals, but we know we're conservative if we stick to those for aluminium.“323

  • 324 Präsident von Stork Aerospace.
  • 325 Flight vom 20.05.2003. Supplement. Seite 10.

102Mangelnde Erfahrung mit dem neuen Material lässt die Konstrukteure dieses noch vorsichtig verwenden: „De Koning324 says the upper front and rear fuselage makes best use of the material's tensile strength properties. 'The shear loads in the centre fuselage are too high for current Glare configurations,' he says. However he doesn't rule out more widespread application on future A380 variants as the material's properties can be tailored to different requirements.“325

Abbildung 20: Materialzusammensetzung des Airbus A380

Abbildung 20: Materialzusammensetzung des Airbus A380

Aus: Flight (13.07.2004)

103Ein Viertel des A380 besteht bereits aus Carbonfaser und dem beschriebenen „Glare“. Dreiviertel des Flugzeugs bestehen aus, heute traditionell anmutenden, Materialien wie Aluminium und Stahl (10%). Auch wenn der Anteil der neuen Werkstoffe noch nicht groß erscheint so weist er doch die Richtung in die sich der zivile Flugzeugbau entwickelt. Die Vorteile der neuen Verbundwerkstoffe erscheinen zu groß, als dass Hemmnisse wie Preis, mangelnde Erfahrung und schwierige Herstellung sie auf lange Sicht aufhalten könnten.

104Etwas anders sieht dies im militärischen Flugzeugbau aus. Wie bereits beschrieben ist die strukturelle Belastung bei modernen Kampfflugzeugen ungleich größer als bei zivilen Flugzeugen. Dies liegt unter anderem an den höheren Fluggeschwindigkeiten.

105Diese höhere Belastung ist der Grund dafür, weshalb die Einführung moderner Faserverbundwerkstoffe zwar auch im militärischen Bereich enorme Fortschritte macht, Metall aber weiterhin wichtig für die strukturelle Stabilität bleibt. Gleichzeitig ist die potentielle Gewichtsersparnis auch für das Militär so attraktiv, dass weiterhin sehr intensiv an verbesserten Verbundwerkstoffen geforscht wird. Außerdem ist die Reduzierung der Radarsignatur nur mit Verbundwerkstoffen möglich.

  • 326 Erstflug am 29.09.1990 (YF-22), 07.09.1997 (F-22).
  • 327 Flight vom 15.04.1997. Supplement. Seite 25.
  • 328 Ebenda.

106Ein Beispiel für die noch relativ spärliche Verwendung von modernen Kompositwerkstoffen ist die Lockheed Martin F-22 „Raptor“326. Der Prototyp YF-22 bestand zu 32 Prozent aus Aluminium, zu 27 Prozent aus Titan und nur zu 21 Prozent aus Kompositmaterial. Bei der Serienversion wurden die Werkstoffe nochmals geändert. Die Serien-F-22 besteht zu 16 Prozent aus Aluminium, 39 Prozent aus Titan und 24 Prozent aus Kompositwerkstoffen. „Titanium content was increased at the expense of aluminium because of loads, temperatures and damage-tolerance requirements. Composites content was once intended to be as high as 35%, but cost was a driver in reducing the use of thermoplastics, which accounted for 11% of the YF-22 's structure, to less than 1%.“327 Auch Beschusstests führten dazu, dass zum Beispiel Tragflächenholme aus Titan und nicht aus Kompositmaterial hergestellt werden mussten: „Every third wing intermediate spar was changed to titanium after live-fire testing revealed that the original all-composite design could not withstand a round exploding in the fuel tank.“328

  • 329 Erstflug 27.03.1994.
  • 330 Erstflug 04.07.1986.

107Moderne europäische Kampflugzeuge wie der Eurofighter „Typhoon“329 oder die Dassault „Rafale“330 verfolgen werkstofftechnisch ein völlig anderes Konzept. Auch wenn diese Flugzeuge taktisch kaum vergleichbar mit der F-22 zu sein scheinen, so lohnt es sich doch die zur Anwendung kommenden Baumaterialien zu vergleichen.

  • 331 http://www.eurofighter.com/et_mp_ma_cf.asp (Stand 17.03.2010).

108Im Gegensatz zur F-22 verwenden diese europäischen Muster fast vollständig moderne Verbundwerkstoffe. Der Eurofighter besteht zu 70 Prozent aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, zu 12 Prozent aus glasfaserverstärktem Kunststoff und nur noch zu 15 Prozent aus Leichtmetall und Titan. Die Vorteile dieser Bauweise beschreibt man auf der offiziellen Website des Eurofighter: „In tandem with the aerodynamically unstable design, these strong but lightweight materials mean that the weight and size of the airframe and engine are 10 - 20% smaller and 30% lighter, than they would otherwise have been.“331

  • 332 http://www.dassault-aviation.com/en/defense/rafale/optimized-airframe.html?L=1 (Stand 17.03.2010).

109Die französische Dassault „Rafale“ besteht ebenfalls hauptsächlich aus modernen Kompositmaterialien. Auf der Website von Dassault wird ein Anteil von 70 Prozent angegeben. Zur Begründung für diese Materialwahl heißt es dort: „They also account for the 40% increase in the max take-off weight to empty weight ratio from traditional airframes built with aluminium and titanium.“332

  • 333 Preis aus: Französischer Senat, Projet de loi de finances pour 2009: Défense - Equipement des force (...)
  • 334 Preis aus: Endspiel um den Eurofighter beginnt. Handelsblatt 18.03.2009. Weblink: http://www.handel (...)
  • 335 Preis aus: United States Air Force. Committee Staff Procurement Backup Book - FY 2009 Budget Estima (...)

110In Europa wurde also vor allem auf die Gewichtsersparnis durch die neuen Werkstoffe und die Wirtschaftlichkeit der Projekte geachtet. Und in der Tat kosten die europäischen Flugzeuge mit 64 bis 70 Millionen Euro333 (Rafale) und 86 Millionen Euro334 (Eurofighter) nur knapp die Hälfte der amerikanischen F-22 (ca. 150 Millionen US-Dollar335).

111Verbundwerkstoffe bieten bei geringerem Gewicht gleiche Stabilität und ermöglichen sowohl leichtere und kleinere Flugzeuge, als auch höhere Zuladungskapazitäten: Argumente, die im militärischen Bereich den Trend zum Kunstoff-Flugzeug beschleunigen und die Verwendung von Metalllegierungen in naher Zukunft obsolet machen könnten.

Flugzeug

Erstflug

Materialien

Größe, Gewicht

Stückpreis

F-22, „Raptor“ (USA)

29.09.1990 (YF-22),
07.09.1997 (F-22)

YF-22:
32% Aluminium
27% Titan
24% Faserverbundwerkstoffe (FVW)

Länge: 18,87 m
Spannweite: 13,56 m
Leergewicht: 19.700 kg

Ca. 150 Mio. US-Dollar

F-22:
16% Aluminium
39% Titan
24% FVW

Eurofighter „Typhoon“ (GB, D, I, Sp)

27.03.1994

82% FVW
15% Aluminium und Titan

Länge: 15,96 m
Spannweite: 10,95 m
Leergewicht: 11.150 kg

86 Mio. Euro

Dassault „Rafale“ (Frankreich)

04.07.1986

70% FVW

Länge: 15,27 m
Spannweite: 10,80 m
Leergewicht: 10.220 kg

64-70 Mio. Euro

Tabelle 2: Moderne Militärflugzeuge im Vergleich

112Fassen wir zusammen: Als der Mensch vor mehr als 200 Jahren zunehmend systematisch daran ging, sich seinen Traum vom Fliegen zu erfüllen, benutzte er für seine Fluggeräte zunächst Materialien des täglichen Lebens, die meistens organischer Natur waren: Federn, Bambus, Holz, Stoff und Draht. Der nächste Schritt zu leistungsfähigen, motorgetriebenen Flugzeugen führte zum breiten Einsatz der anorganischen und damit beherrsch- und belastbarer erscheinenden Metalle. Stahl wurde im Ganzmetallflugzeug schnell von Leichtmetalllegierungen abgelöst. Das Nachempfinden von Leichtbaustrukturen der Natur führte den Menschen zu den Faserverbundwerkstoffen.

  • 336 Vgl. Arendt, Franz Joseph; Dörner, H.: Struktur und Zelle, in: Bölkow 1990. Seite 125.

113Es ist wahrscheinlich, dass in der nahen Zukunft der Mensch im Leichtbau weiter versuchen wird, das durch langwierige natürliche Ausleseverfahren bei den Bauweisen in der Natur entstandene „Know-How“ der Optimierung noch besser nachzuvollziehen. Das Bestreben wird sein, in kürzerer Zeit als es die Natur geschafft hat, ökonomisch aber auch ökologisch, Faserverbundbauteile und -strukturen zu entwickeln. Faserverbundwerkstoffe mit „Nerven, Gedächtnis und Muskeln“ sowie einem Selbstheilmechanismus, so genannte „Smart Materials“, liegen durchaus im Bereich des Möglichen. Diese neuen Werkstoffe können sich den jeweiligen Betriebsanforderungen von selbst anpassen.336 Sie reagieren auf wechselnde äußere Einflüsse mit der Veränderung ihrer Eigenschaften.

  • 337 Vgl. Stattmann, Nicola: Handbuch Material Technologie. Ludwigsburg 2003. Seite 102.

114Ohne die Bionik ist die Entwicklung von neuen Werkstoffen, aber auch von Leichtbaumaterialien und Konstruktionssystemen, nicht mehr denkbar. So werden zum Beispiel an den ultraleichten Flügeln von Insekten Zusammenhänge von Material, Struktur und Funktion untersucht.337

Notes

199 Nicolaus, Fr.: Elektronmetalle als Werkstoff im Flugzeugbau, in: Fortschritte der Luftfahrt. Jahrbuch 1927/28. Frankfurt a.M. 1927. Seiten 327 – 363. Hier Seite 327.

200 Hooper Mc Carty, Foecke 2009. Seite 189.

201 Stähle und ihre Verwendung im Flugzeugbau aus: Hollbach, O.: Deutscher Flugzeugbau. Handbuch der Luftfahrttechnik. Frankfurt a.M. 1939. Seite 173 ff. Vgl. dazu auch: Berg, H.: Metalle für den Luftfahrzeugbau. in: Fortschritte der Luftfahrt. Jahrbuch 1927/28. Seiten 489 - 503.

202 Ørsted, Hans Christian (* 14.08.1777 in Rudkøbing; † 09.03.1851 in Kopenhagen).

203 Wöhler, Friedrich (* 31.07.1800 in Eschersheim, Frankfurt a. M.; † 23.09.1882 in Göttingen).

204 Deville, Henri Etienne Sainte-Claire (* 11.03.1818 in Saint Thomas, Westindien; † 01.07.1881 in Boulogne-sur-Seine, heute: Boulogne-Billancourt).

205 Vgl. Crouch 2003. Seite 170; Wissmann 1975. Seite 148; Marschall, Luitgard: Aluminium - Metall der Moderne. München 2008. Seite 73.

206 Marschall 2008. Seite 73.

207 Charles Martin Hall (1863-1914) und Paul Touissant Heroult (1863-1914) entwickelten unabhängig voneinander 1886 ein elektrolytisches Verfahren, mit dem die wirtschaftliche Gewinnung von Aluminium möglich wurde.

208 Vgl. Brockhaus Konversations-Lexikon. I.Band, 14. Aufl., Berlin-Wien 1901. Seite 482.

209 Daten aus Marschall 2008. Seiten 73 - 76.

210 Verne, Jules-Gabriel (* 08.02.1828 in Nantes; † 24.03.1905 in Amiens).

211 Verne, Jules: De la Terre à la Lune. Trajet direct en 97 heures 20 minutes. Paris 1865. Hier: deutsche Fassung des Herausgebers Volker Dehs. München 2008. Seite 65.

212 Reuleaux, Franz (* 30.09.1829 in Eschweiler-Pumpe; † 20.08.1905 in Berlin-Charlottenburg).

213 Geschichte der Aluminium-Industrie-Aktien-Gesellschaft Neuhausen 1888-1938. Band 1. Zürich 1942. Seite 26.

214 Vgl. Marschall 2008. Seite 79.

215 Zum Materialwandel im Luftschiffbau und David Schwarz siehe das Kapitel „Materialien im starren Luftschiffbau“.

216 Vgl. Budraß 1998. Seite 30.

217 Vgl. Hollbach 1939. Seite 176.

218 Vgl. Blunck, Richard: Hugo Junkers. Ein Leben für Technik und Luftfahrt. Düsseldorf 1951. Seite 102.

219 Vgl. Crouch 2003. Seite 170.

220 Hollbach 1939. Seite 176.

221 Die Dürener Metallwerke AG hatte Alfred Wilm das Patent für das Duralumin abgekauft.

222 Budraß 1998. Seite 36.

223 1913 setzte das Unternehmen 37 Tonnen Duralumin an die Zeppelinwerke ab. 1916 waren es dann schon 750 Tonnen. Vgl. hierzu Hassler, F.: Dürener Metallwerke 1885-1935. Berlin 1935. Seite 84.

224 Weiß 2010. Seite 44.

225 Vgl. ebenda. Seite 44; Schatzberg 1999. Seite 32 f.

226 Hollbach 1939. Seite 176.

227 Crouch 2003. Seite 171.

228 Brenner 1931. Seite 644.

229 Crouch 2003. Seite 171.

230 Flight vom 22.05.1931. Seite 464.

231 Flight vom 14.11.1930. Seite 1236.

232 Hollbach 1939. Seite 179.

233 Hollbach 1939. Seite 177.

234 Nicolaus 1927. Seiten 327, 328.

235 Ebenda. Seite 328.

236 Ebenda. Seiten 333.

237 Rohrbach, Adolf: Entwurf und Aufgaben des Leichtbaus, in: Jahrbuch der Wissenschaftlichen Gesellschaftfür Luftfahrt. 1926. Seiten 64-70. Seite 66.

238 Nicolaus 1927. Seiten 347.

239 Vgl. ebenda. Seite 329.; Berg 1927. Seite 497.

240 Budraß 1998. Seite 211.

241 Ebenda. Seite 212.

242 Ebert, Hans J.; Kaiser, Johann B.; Peters, Klaus: Die deutsche Luftfahrt. Willy Messerschmitt - Pionier der Luftfahrt und des Leichtbaues. Bonn 2008. Seite 93.

243 The German Magnesium Industry, BIOS Misc. Rep. No. 5, UB Bochum, zur Verwendbarkeit des Magnesiums.

244 Merkel, Manfred; Thomas, Karl Heinz: Taschenbuch der Werkstoffe. München 2008. Seite 544.

245 Vgl. Wissmann 1975. Seite 322; Vgl. auch Hollbach 1939. Seite 177.

246 Vgl. Hollbach 1939. Seite 177.

247 Perry, Thomas D.: Modern Plywood. New York 1942. Seite 18 – 47.

248 Vgl. Schatzberg 1999. Seite 115.

249 Vgl. ebenda. Seite 117.

250 Casein ist ein grobflockig gerinnendes Protein und die wichtigste Eiweißart der Milch. Es wird unter anderem als Bindemittel in Farben oder als Leim verwendet.

251 Vgl. Schatzberg 1999. Seite 127.

252 Baekeland, Leo Hendrik (*14.11.1863 in Ghent, Belgien; † 23.2.1944 in Beacon, New York, USA).

253 0,05 bis 0,1mm dicke Folien aus bakelitartigen Phenol-Formaldehydharzen.

254 Vgl. Hollbach 1939. Seite 178.

255 Vgl. ebenda. Seite 177.

256 Vgl. ebenda. Seite 178.

257 Angaben zu Duramold aus: McDonald, John J.: Howard Hughes and the Spruce Goose. The story of the largest and most controversial airplane ever built and the man who made it happen! 1981. Seiten 100 ff.

258 Hughes hatte die Rechte für das Duramold 1939 Sherman Fairchild abgekauft.

259 McDonald 1981. Seite 101. Dies entspricht etwa einer Dicke von acht Millimetern.

260 Ebenda. Seite 101.

261 Hughes Flying Boat - World‘s Largest Airplane. In: Automotive and Aviation Industries. 15.08.1945. Seite 15.

262 Epoxidharze bestehen aus Polymeren, die je nach Reaktionsführung unter Zugabe geeigneter Härter einen duroplastischen Kunststoff von hoher Festigkeit und chemischer Beständigkeit ergeben. Werden Epoxidharz und Härter gemischt, erfolgt je nach Zusammensetzung und Temperatur üblicherweise innerhalb von wenigen Minuten bis einigen Stunden die Aushärtung des ursprünglich flüssigen Gemisches.

263 Barton 1982. Seite 82.

264 McDonald 1981. Seite 101.

265 Flight vom 24.01.1946. Seite 86.

266 Hollbach 1939. Seite 178.

267 Vgl. Richthofen 1929. Seite 10.

268 Vgl. Ebert, Kaiser, Peters 2008. Seite 261.

269 Arendt, Franz Joseph; Dörner, H.: Struktur und Zelle, in: Bölkow 1990. Seite 102.

270 Molloy, E.: Aircraft Production. A practical Survey of Materials and Processes used in the Construction of Modern Aircraft. New York 1941. Seite 86.

271 Flight vom 17.04.1941. Seite 287.

272 Ebenda. Seite 288.

273 Ebenda. Seite 288.

274 Aus: Arendt, Franz Joseph; Dörner, H.: Struktur und Zelle, in: Bölkow 1990. Seite 116.

275 1 MPa = 1 N/mm2 = 10 kg/cm2

276 Schatzberg 1999. Seite 226, 227.

277 Der Begriff Jägernotprogramm bezeichnet ein gegen Ende des Zweiten Weltkriegs entwickeltes Konzept des Reichsluftfahrtministeriums, welches durch den Bau massenproduzierter Abfangjäger der alliierten Bomberoffensive Einhalt geboten sollte.

278 Vgl. Köhler, H. Dieter: Die deutsche Luftfahrt. Ernst Heinkel - Pionier der Schnellflugzeuge - Eine Biographie. Bonn 1999. Seite 210; Vgl. hierzu auch Heinkel 1962. Seite 447.

279 siehe Kapitel über Geoffrey de Havilland.

280 Vgl. Arendt, Franz Joseph; Dörner, H.: Struktur und Zelle, in: Bölkow 1990. Seite 110. Ein Beispiel für diese neuartigen Unfälle sind die Probleme mit der D.H. 106 „Comet“ (Erstflug 1949).

281 Erstflug 1959.

282 Crouch 2003. Seite 462, 463. Vgl. auch Flight vom 08.05.1959. Seite 639.

283 Flight vom 08.05.1959. Seite 639. 1.000 Grad Fahrenheit entsprechen etwa 538 Grad Celcius.

284 Eine Nickel-Legierung.

285 Flight vom 08.05.1959. Seite 639.

286 Crouch 2003. Seite 515.

287 Leicht, fest, dehnbar, weiß-metallisch glänzend und korrosionsbeständig ist Titan besonders für Anwendungen geeignet, bei denen es auf hohe Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und geringes Gewicht ankommt. Reines Titan kommt auf der Erde kaum vor. Es wird aus llmenit oder Rutil gewonnen. Der dabei verwendete Herstellungsprozess ist sehr aufwendig, was sich im hohen Preis für Titan niederschlägt.

288 Erstflug: 14.04.1962.

289 Flight vom 03.05.1962. Seite 694.

290 Vgl. Crouch 2003. Seite 516.

291 Flight vom 08.05.1959. Seite 640.

292 Die Mach-Zahl (benannt nach dem Physiker und Philosophen Ernst Mach) ist eine physikalische und dimensionslose Kennzahl der Geschwindigkeit. Mach 1 steht für die einfache Schallgeschwindigkeit. Mach 3 für die dreifache Schallgeschwindigkeit.

293 Erstflug 1964.

294 1 square-foot (Quadratfuß) entspricht etwa 0,09 Quadratmeter.

295 Crouch 2003. Seite 516.

296 Erstflug 1964.

297 Eden, Paul: Mikoyan MiG-25 „Foxbat“. In: Encyclopedia of Modern Military Aircraft. London 2004. Seite 308.

298 Die Sowjetunion stellte Titan erstmals Ende 1953 industriell her (Gunston, Bill: The Osprey Encyclopedia of Russian Aircraft 1875 – 1995. London 1995. Seite XVIII).

299 Die Lockheed A-11 war der konzeptionelle Vorgänger der SR-71, der schon viele Merkmale der SR-71 besaß, aber nicht in Serie gebaut wurde.

300 NATO-Codename der MiG-25.

301 North American A-5 Vigilante, Erstflug 1958.

302 Flight vom 23.04.1977. Seite 1122.

303 Zur Entwicklung der Faserverbundswerkstoffe vgl.: Arendt, Franz Joseph; Dörner, H.: Struktur und Zelle, in: Bölkow 1990. Seiten 115-125.

304 Zur Festigkeit der einzelnen Fasern siehe Abschnitt „Werkstoff-Festigkeit im Wandel der Zeit“.

305 Fiberglas = Glasfaserverstärkter Kunststoff. Der Begriff steht für ein Faser-Kunststoff-Verbund aus einem Kunststoff (z.B. Polyesterharz, Epoxidharz oder Polyamid) und Glasfasern.

306 Carbon = Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff. Der Begriff bezeichnet einen Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff, bei dem in eine Matrix (z.B. aus Kunststoff) Kohlenstofffasern, meist in mehreren Lagen, als Verstärkung eingebettet werden.

307 Arendt und Dörner geben sogar 37 Prozent an. Vgl.: Arendt, Franz Joseph; Dörner, H.: Struktur und Zelle, in: Bölkow 1990. Seite 122.

308 Schatzberg 1999. Seite 227.

309 Flight vom 21.09.1956. Seite 526.

310 Brinkmann/Zacher 1999. Seite 148.

311 siehe Kapitel über die Entwicklung der Segelflugzeuge.

312 Erstflug: 18.06.1981.

313 Erstflug: 17.07.1989.

314 „Stealth“ engl. für Heimlichkeit. Tarnkappentechnik, auch Stealthtechnik genannt, bezeichnet alle Technologien, welche die Ortung eines Objekts durch Unterdrückung der vom georteten Objekt ausgesandten oder reflektierten Emissionen erschweren.

315 Crouch 2003. Seite 516.

316 Erstflug: 28.10.1972.

317 Erstflug: 27.04.2005.

318 Marschall 2008. Seiten 123, 124.

319 Schatzberg 1999. Seite 227, 228.

320 Flugzeug aus modernen Kompositwerkstoffen, das die Erde 1987 nonstop umrundete.

321 Hotz, Robert: A New Materials Revolution. In: Aviation Week & Space Technology. Heft 89 vom 30. September 1986. Seite 11.

322 Flight vom 13.07.2004. Seite 63

323 Flight vom 20.05.2003. Supplement. Seite 10.

324 Präsident von Stork Aerospace.

325 Flight vom 20.05.2003. Supplement. Seite 10.

326 Erstflug am 29.09.1990 (YF-22), 07.09.1997 (F-22).

327 Flight vom 15.04.1997. Supplement. Seite 25.

328 Ebenda.

329 Erstflug 27.03.1994.

330 Erstflug 04.07.1986.

331 http://www.eurofighter.com/et_mp_ma_cf.asp (Stand 17.03.2010).

332 http://www.dassault-aviation.com/en/defense/rafale/optimized-airframe.html?L=1 (Stand 17.03.2010).

333 Preis aus: Französischer Senat, Projet de loi de finances pour 2009: Défense - Equipement des forces („Gesetzesvorschlag für das Budget 2009: Verteidigung - Ausrüstung der Streitkräfte“). Weblink: http://www.senat.fr/rap/a08-102-5/a08-102-516.html#toc236 (Stand: 10.03.2011).

334 Preis aus: Endspiel um den Eurofighter beginnt. Handelsblatt 18.03.2009. Weblink: http://www.handelsblatt.com/unternehmen/industrie/endspiel-um-den-eurofighter-beginnt/3137282.html. (Stand: 10.03.2011).

335 Preis aus: United States Air Force. Committee Staff Procurement Backup Book - FY 2009 Budget Estimates. Weblink: http://www.saffm.hq.af.mil/shared/media/document/AFD-080204-081.pdf. (Stand: 10.03.2011).

336 Vgl. Arendt, Franz Joseph; Dörner, H.: Struktur und Zelle, in: Bölkow 1990. Seite 125.

337 Vgl. Stattmann, Nicola: Handbuch Material Technologie. Ludwigsburg 2003. Seite 102.

Table des illustrations

Titre Abbildung 14: Bild aus DURAMOLD-Werbung der Firma Fairchild
Légende LIFE-Magazin 30.08.1943. Seite 90
URL http://books.openedition.org/ksp/docannexe/image/3886/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 660k
Titre Abbildung 15: Gemischtbau bei der D.H. "Hornet"
Légende Aus: Flight (24.01.1946). Seite 87
URL http://books.openedition.org/ksp/docannexe/image/3886/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 168k
Titre Abbildung 16: Experimentalflugzeug Bristol 188
Légende Aus: Flight (03.05.1962). Seite 693
URL http://books.openedition.org/ksp/docannexe/image/3886/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 292k
Titre Abbildung 17: Strategischer Höhenaufklärer SR-71 "Blackbird"
Légende Aus Flight (20.05.2003). Seite 12
URL http://books.openedition.org/ksp/docannexe/image/3886/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 336k
Titre Abbildung 18: Detailansicht der MiG-25
Légende Aus: Flight (23.04.1977) Seite 1123
URL http://books.openedition.org/ksp/docannexe/image/3886/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 1,8M
Titre Abbildung 19: 3-Seiten-Ansicht und Leistungsdaten des Airbus A380
Légende Aus Flight Supplement (20.05.2003)
URL http://books.openedition.org/ksp/docannexe/image/3886/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 668k
Titre Abbildung 20: Materialzusammensetzung des Airbus A380
Légende Aus: Flight (13.07.2004)
URL http://books.openedition.org/ksp/docannexe/image/3886/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 171k

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