EMV bei CFK Störschutz, Erdung und Blitzschutz bei Faserverbundwerkstoffen

Faserverbundwerkstoffe wie CFK werden zunehmend in der Luftfahrttechnik eingesetzt. Im Beitrag werden Optionen diskutiert, wie CFK vor elektromagnetischen Störungen (EMV) und Entladungen schützen kann.

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Die Luftfahrtindustrie ist ein führender Anwender von Kohlenstofffaser-/Kevlar-verstärkten Polymeren oder ähnlichen Faserverbundwerkstoffen. Der wesentliche Vorteil dieser Materialien ist ihr extrem geringes Gewicht im Vergleich zu Metallen, was eine Reihe weiterer Vorteile mit sich bringt: effizienterer Kraftstoffverbrauch, kleinere Triebwerke und geringere Kosten sowie die Möglichkeit, mehr Gewicht und somit mehr Passagiere oder Fracht zu transportieren. In Kampfflugzeugen erhöht das geringere Gewicht die Leistungsfähigkeit und Wendigkeit, während weniger Metallanteile eine Radarerfassung erschweren.

Flugzeugkonstruktionen der nächsten Generation

Mit den Fortschritten in den Bereichen Werkstoffkunde/Werkstofftechnik, Konstruktion und Fertigung sind Flugzeugentwickler imstande, immer mehr metallische Bauteile durch Faserverbundwerkstoffe zu ersetzen. Als der französische Kampfjet Mirage 2000 in den 1970er-Jahren entwickelt wurde, kamen Verbundmaterialien für einige wenige Bauteile wie das Seitenruder, Querruder und Seitenleitwerk zum Einsatz, was eine Gewichtsersparnis von 55 kg ermöglichte.

Das darauffolgende Rafale-Programm der 1980er-Jahre spart 300 kg Gewicht, da mehr Verbundwerkstoffe eingesetzt wurden. Militärhubschrauber zählen ebenfalls zu frühen Anwendungsfeldern. Verbundwerkstoffe wurden hier bereits 1988 eingesetzt.

Moderne Flugzeuge wie die Boeing 787 und der Airbus A350 bestehen zu etwa 50% aus Faserverbundwerkstoffen. Dazu zählen große Bauteile wie der Rumpf, die Tragflächenverkleidung, große Teile des Flügels, das Ruder und das Höhenleitwerk. Der Airbus A400, der gerade entwickelt wird, soll das erste Flugzeug sein, dessen Tragfläche zu 100% aus Faserverbundwerkstoffen besteht.

Mit dem Vorteil des geringeren Gewichts haben sich jedoch einige technische Herausforderungen ergeben, da Verbundmaterialien elektrisch nicht leitfähig sind.

Elektrische Störungen und Blitzeinschlag in Flugzeugen

Moderne Flugzeuge verfügen über zahlreiche elektrische Systeme, die elektromagnetische Interferenzen erzeugen können, welche den Betrieb empfindlicher Systeme wie Navigation, Fly-by-Wire und Triebwerkssteuerungen stören können. Zu solchen Störquellen zählen u.a. Leuchtstofflampen, Lichtschalter, Dimmer, wechselstrombetriebene Fensterheizungen, Motoren und Generatoren, Datenkabel und Stromleitungen, die durch das Flugzeug verlaufen, sowie Funk- und Radarsender.

Außerhalb des Flugzeugs sind Unwetter eine mögliche Ursache für elektrische Störungen und Schäden durch Blitzeinschlag. Auch die Luftreibung kann Phänomene wie Vibrationen und Luftströme verursachen, bei denen sich potenziell gefährliche elektrostatische Ladungen an der Außenseite des Flugzeugs ansammeln.

Eine herkömmliche, überwiegend aus Metall bestehende Flugzeugzelle fungiert wie ein Faradayscher Käfig und schützt elektronische Geräte gegen Störungen, die innerhalb oder außerhalb des Flugzeugs entstehen. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, die Geräte zuverlässig zu erden, indem sie über eine geeignete Oberfläche direkt mit der Flugzeugmasse verbunden werden.

Um einen direkten Blitzeinschlag zu bewältigen, wird bei einem herkömmlichen Flugzeug mit Metallhülle die Energie entlang der Hülle zu einem Austrittspunkt abgeleitet (elektrische Kontinuität). Dieser Austrittspunkt befindet sich meist an der Spitze des Flugzeugs. Die Flugzeughülle selbst verteilt bereits eine große Menge der Blitzenergie, um Schäden am elektrischen System und an den inneren Aufbauten zu vermeiden.

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