mini|Vergleich der Konstruktionsprinzipien eines Flugzeugrumpfs,1: Fachwerk mit Leinwand, 2: Fachwerk mit Wellblech, 3: Schalenbauweise, 4: Halbschalenbauweise Mit Halbschalenbauweise () wird im Flugzeugbau eine Konstruktionsweise zum Aufbau von Flugzeug- und Raketenrümpfen, seltener auch von Tragflächen bezeichnet, bei der die „Stärke“ der Außenhaut (Beplankung) dieser Bauteile so bemessen ist, dass sie einen Großteil der auftretenden Kräfte aufnehmen kann. Gegenüber der reinen Schalenbauweise (Monocoque)Definition der Schalenbauweise auf merriam-webster.com (abgerufen am 28. Juli 2015)Definition der Schalenbauweise auf thefreedictionary.com (abgerufen am 28. Juli 2015), die ohne innere Verstärkungen oder mit geringen Aussteifungen durch Querspanten auskommt, hat die Halbschalenbauweise zusätzlich auch Längsaussteifungen. Dies sind typischerweise Longerons (Rumpfholme) und Stringer (schwächere Longerons), die einen Teil der Last der Außenhaut aufnehmen.Definition der Halbschalenbauweise auf navyaviation.tpub.com (abgerufen am 28. Juli 2015) Durch die höhere Steifigkeit kann die Außenhaut dünner als bei der Monocoquebauweise ausgeführt ohne an Stabilität einzubüßen, das heißt Halbschalen sind bei gleicher Sicherheit gegen Beulen und Knicken leichter als Monocoques. Eine konsistente Unterscheidung der Begriffe Schalen- und Halbschalenbauweise ist in der Literatur jedoch nicht zu erkennen. Oft werden beide Bezeichnungen synonym verwendet. Gelegentlich wird die Schalenbauweise, in Anlehnung an die selbsttragende Karosserie von Fahrzeugen, auch als selbsttragende Konstruktion bezeichnet.
Geschichte mini|Handley Page Type D auf der Olympia-Aero-Show 1911 mini|Die in England gebaute Deperdussin Monocoque Racer
Die erste nachgewiesene Anwendung der Monocoque-Bauweise wurde 1911 auf der Olympia-Aero-Show mit einer von Handley Page entworfenen Maschine präsentiert. Die Rumpfschale der Type D (rückwirkend 1924 als H.P.4 bezeichnet) bestand vornehmlich aus Mahagoni-Holz.Hugh Driver: ’’The Birth of Military Aviation: Britain, 1903–1914’’, S. 90 Weitere frühe Anwendungen der Schalenbauweise im Luftfahrzeugbau sind die Deperdussin Monocoque Racer aus dem Jahr 1912 als weiteres Beispiel für die anfänglich verwendete Holzbauweise. Der Rumpf der von Jack Northrop konstruierten Loughead S-1 aus dem Jahr 1919 wurde in zwei Betonformen hergestellt. Hier war der Rumpf aus mehreren Lagen Sperrholz aufgebaut. In Deutschland waren typische Beispiele die Albatros D.V aus der Zeit des Ersten Weltkriegs und die später gebaute Heinkel He 70.
Erste Versuche mit einer Ganzmetall-Schalenbauweise unternahm Dornier 1917 mit der Dornier Cl.I, bei der die Holz-Schalenkonstruktion der Albatros-Doppelsitzer in den Metallbau übertragen werden sollte.Frost, Kössler, Koos: Dornier – Von den Anfängen bis 1945, 2010, S. 23 Inwieweit die Rumpfhülle wirklich dazu geeignet war Kräfte aufzunehmen, ist jedoch ungeklärt. Die ersten tatsächlich in einer Ganzmetall-Schalenbauweise ausgeführten Flugzeuge waren die erstmals im Juni 1918 geflogene Dornier-Zeppelin D.I und die im Juli 1920 auf der Olympia Airshow gezeigte Short Silver Streak.
Ende der 1960er Jahre setzte sich im Segelflugzeugbau die Schalenbauweise mit Glasfaserverbundmaterialien durch. So konnte das Gewicht verringert werden. Aus gleichem Grund werden im Verkehrsflugzeugbau zunehmend kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe („Carbon“) eingesetzt.
Konstruktive Ausführung Allgemeines Bei der Halbschalenbauweise wird zur Verstärkung der Außenhaut und zur Wahrung der Querschnittsform gewöhnlich eine Unterstruktur eingesetzt, die sich aus Longerons, Stringer, Spanten/Schotten und Formern zusammensetzen kann. Auf den Rumpf wirkende Biegekräfte werden von Longerons aufgenommen, die parallel zur Rumpflängsrichtung laufen. Stringer haben einen kleineren Querschnitt gegenüber Longerons und unterstützen diese bei der Aufnahme von Druckkräften und erhöhen die Steifigkeit des Rumpfs. Formspanten und Schotten dienen vornehmlich zur Erhaltung der Querschnittsform und erhöhen die Stabilität der Stringer gegen Knicken. Schotten werden bevorzugt dort eingesetzt, wo Kräfte konzentriert in den Rumpf oder die Tragflächen eingeleitet werden. Dies sind z. B. Triebwerksaufhängungen, Tragflächenanschlüsse, der Fahrwerksanschlag und die Anschlüsse der Leitwerksflossen. Das Einteilen in Spanten und Stringer wird im Fachbegriff auch „Straken“ genannt.
Neben der Ausnutzung des hohen Widerstandsmoments von geschlossenen kreisähnlichen Rumpfquerschnitten, ist der Hauptvorteil der Schalen- bzw. Halbschalenbauweise gegenüber dem Fachwerkrumpf die Möglichkeit eine aerodynamisch ausgebildete Rumpfform zu erreichen, ohne zusätzliche formgebende Bauteile einsetzen zu müssen. Hinzu kommt, dass der Innenraum vollständig genutzt werden kann, da es keine Verstrebungen oder Verspannungsdrähte gibt.
Die praktische Fertigung erfolgt meistens in mehreren Einzelschalen, die zu einem nahezu runden oder ovalen Querschnitt zusammengenietet oder verklebt werden. Eine Herausforderung stellen Ausschnitte in der Schalenstruktur dar, wobei der zentrale Mittelteil der Schale möglichst von Türen, Luken u. Ä. freigehalten werden sollte. Z. B. konnten bei der Vought F-8, die keine Rumpflängsaussteifungen besaß, während der Wartung nicht sämtliche Wartungsklappen gleichzeitig geöffnet werde, da sich ansonsten der Rumpf beim Bewegen des Flugzeugs verzogen hätte.Die Crusaders der Marines. In: Aeroplane – Take-off in die Welt des Fliegens (Das neue Sammelwerk) Heft 92, S. 2555.
Holzbauweise mini|Innenansicht der Hughes H-4 in Holzbauweise
Bei der Holzbauweise werden in der Regel mehrere Lagen Sperrholz, meistens auch in verschiedenen Stärken, übereinander und nebeneinander unter Zuhilfenahme einer Positivform verklebt. Bei der Loughead S-1 wurde dagegen ein Luftsack in einer Negativform eingesetzt, der nach Verschließen der Form aufgeblasen und über 24 Stunden unter Druck gehalten wurde.Richard Sanders Allen: ’’The Northrop Story’’, S. 5 In den Formen für die Lockheed Vega konnte der Rumpf für drei verschiedene Baumuster hergestellt werden.Lockheed Vega als Beispiel für Holz-Monocoque Je nach Lage und Form der in die Schale geschnittenen Öffnungen konnte neben der Vega auch die Air Express oder der Tiefdecker Sirius hergestellt werden.
Als Holzsorten kommen z. B. Sitka-Fichte, Birke, Mahagoni und das Holz des Tulpenbaumes zur Anwendung. In Zwischenschichten wird auch Balsaholz eingesetzt. Typische Klebstoffe sind der vor allem historisch interessante Kaseinleim und das aktuelle synthetische Aerodux.
Beispiel Mosquito mini|Schema des Aufbaus der Mosquito-Schale Der Rumpf der De Havilland DH.98 Mosquito wurde als Monocoque in zwei Halbschalen hergestellt, die mit wenigen Längsaussteifungen auskamen. Zur Herstellung der Schalen war weder Druck noch Wärmezufuhr notwendig. Die zwei etwa 12 m langen Positivformen bestanden entweder aus Mahagoni-Holz, zum Teil wurden aber, z. B. bei der kanadischen Produktion, auch Formen aus Beton eingesetzt.Tony Harmsworth: The Return of „Wooden Wonderment“!. In: Aeroplane Monthly Dezember 2012, S. 51 f. Bei der ersten Baustufe wurden die Rumpfspanten und andere interne Elemente in Schlitze der Form eingebaut. In der zweiten Stufe folgte die Verlegung der inneren Rumpfhaut und der Einbau der strukturellen Bauteile zwischen der inneren und äußeren Sperrholzschicht. Beim hinteren Rumpfteil wurden die Sperrholzstreifen schräg verklebt, um die aus der Torsionsbelastung durch das Leitwerk auftretenden Kräfte besser aufnehmen zu können. Die Maserung der innenliegenden und äußeren Streifen liefen dabei in entgegengesetzten Richtungen.
Aluminium- bzw. Metallbauweise mini|Typische Ausführung der Metallbauweise bei einer Boeing 747 mit Spanten und Stringern
Beplankung Die Außenhaut ist meist aus gewalztem Alublech besonderer Güte gefertigt. Es wird auf einer Streckmaschine mit Bändern auf eine der Flugzeugrumpfform entsprechenden Vorrichtung gestreckt und somit in Form gebracht. Durch das Strecken wird gleichzeitig das gewalzte Gefüge verbessert. Meist wird vor dem Aufnieten in einem Säurebad das Außenblech auf die gewünschte Dicke gebracht. An Stellen, an denen das Blech die volle Dicke behalten soll (z. B. im Bereich der Fenster, Türen, Spanten und Stringer) wird ein Schutzlack aufgetragen. An Stellen ohne Schutzlack wird das Alublech chemisch durch die Säure abgetragen. Die Zeit zum Ätzen steuert exakt die Dicke.
Montage der Halbschalen Die fertigen Halbschalen werden an ihren Spanten und den Außenblechen mit der anderen dazu passenden Halbschale vernietet. Die dabei entstehenden Rumpfabschnitte werden in Längsrichtung an den Stringern und an den Außenblechen vernietet. Durch geringe Überlappung der Stringer, Spanten und Außenblechen beim Vernieten haben diese Verbindungen fast exakt die gleiche Festigkeit wie ein kreisrund gebautes Segment, sind nur minimal schwerer, aber wesentlich billiger in der Herstellung.
Großbaugruppen Große Verkehrsflugzeuge mit einem oder auch zwei Mittelgängen in der Kabine haben meist einen kreisrunden Querschnitt und werden oft in drei Schalen gefertigt. Das ermöglicht einen günstigen Schiffs-, Luft- oder Straßentransport von Zulieferern zur Endmontagehalle und ein platzsparendes und somit preiswertes Zwischenlagern.
Korrosionsschutz Flugzeuge unterliegen im Betrieb erheblichen Temperaturschwankungen. Auf einem tropischen Flugplatz sind oft Luftfeuchtigkeiten von bis zu 100 % und Temperaturen von mehr als 40 °C anzutreffen. In Reiseflughöhe (oft +12.000 m) sind die Außentemperaturen im Bereich von ca. −55 °C. Das und die laufende Ausdunstung in der Passagierkabine führen zu einer starken Schwitzwasserbildung und somit zu starker Korrosion. Deshalb müssen alle Aluminiumteile vor der Montage entfettet und lackiert werden. Zwischen die Spanten, Stringer und Bleche muss noch vor der Montage eine gummiartige Zwischenschicht aufgetragen werden. Nach dem Nieten werden alle Verbindungen nochmal mit Korrosionsschutzlack überzogen. Diese Maßnahmen sind im heutigen, internationalen Metallflugzeugbau Standard und garantieren eine übliche Lebens- und Betriebsdauer von ca. 15–40 Jahren.
Beispiel Bf 109 mini|Schema des Aufbaus der Bf-109-Schale Der Rumpf der Messerschmitt Bf 109 ist ab der Cockpitsektion eine Halbschalenkonstruktion, die vor allem im Hinblick auf eine industrielle Massenfertigung hin optimiert wurde. So wurden die Spanten bereits bei der Herstellung der einzelnen Beplankungselemente durch Aufbiegen der Ränder (Bördeln) in diese integriert. Diese Bearbeitung musste nur an der Hälfte der Segmente (gerade Nummerierung) an beiden Seiten durchgeführt werden. Die andere Hälfte der acht Beplankungsbleche waren lediglich als einfaches Flachblech ausgeführt. Ein Vernieten zusätzlicher Spanten zur Aussteifung war dadurch nicht mehr nötig.Jean-Michel Goyat, Russ Snadden: Making the Messerschmitt Part 1 – Manufacturing Techniques. In: Aeroplane Monthly Juli 1999, S. 71 Beim Rumpfbau wurden alle Blechsegmente einer Rumpfhälfte auf ein Lehrgerüst aufgespannt und miteinander vernietet. Die Stringer schob man anschließend durch vorbereitete Aussparungen in den „Rahmenaufbiegungen“ und vernietete diese mit der 0,8 mm dicken Duralumin-Außenhaut. Die beiden Rumpfhälften wurden anschließend zusammengefügt, indem innen von oben und unten jeweils ein weiterer extrabreiter Stringer vernietet wurde.
Faserverbundwerkstoffe: GFK und CFK Prinzip und Werkstoff