Allgemeines Profil
Geschichte und Zukunftstrends
Als Wilbur und Orville Wright 1903 ihren ersten erfolgreichen Flug absolvierten, war der Flugzeugbau ein Handwerk, das in den kleinen Werkstätten von Experimentatoren und Abenteurern praktiziert wurde. Die kleinen, aber dramatischen Beiträge, die Militärflugzeuge während des Ersten Weltkriegs leisteten, trugen dazu bei, die Fertigung aus der Werkstatt in die Massenproduktion zu verlagern. Flugzeuge der zweiten Generation halfen den Nachkriegsbetreibern, in den kommerziellen Bereich vorzudringen, insbesondere als Beförderer von Post und Expressfracht. Flugzeuge blieben jedoch drucklos, schlecht beheizt und konnten nicht über dem Wetter fliegen. Trotz dieser Nachteile nahm der Personenverkehr von 600 bis 1936 um 1941 % zu, war aber immer noch ein Luxus, den relativ wenige erlebten. Die dramatischen Fortschritte in der Luftfahrttechnologie und der damit einhergehende Einsatz von Luftstreitkräften während des Zweiten Weltkriegs förderten das explosionsartige Wachstum der Flugzeugbaukapazitäten, die den Krieg in den Vereinigten Staaten, dem Vereinigten Königreich und der Sowjetunion überlebten. Seit dem Zweiten Weltkrieg haben taktische und strategische Flugkörper, Aufklärungs- und Navigationssatelliten sowie bemannte Luftfahrzeuge eine immer größere militärische Bedeutung erlangt. Satellitenkommunikation, Geoüberwachung und Wetterverfolgungstechnologie haben eine zunehmende kommerzielle Bedeutung erlangt. Die Einführung von zivilen Flugzeugen mit Turbostrahlantrieb in den späten 1950er Jahren machte den Flugverkehr schneller und komfortabler und führte zu einem dramatischen Wachstum des kommerziellen Flugverkehrs. Bis 1993 wurden weltweit jährlich über 1.25 Billionen Passagiermeilen geflogen. Diese Zahl soll sich bis 2013 fast verdreifachen.
Beschäftigungsmuster
Die Beschäftigung in der Luft- und Raumfahrtindustrie ist stark zyklisch. Die direkte Beschäftigung in der Luft- und Raumfahrtindustrie in der Europäischen Union, Nordamerika und Japan erreichte 1,770,000 mit 1989 ihren Höhepunkt, bevor sie 1,300,000 auf 1995 zurückging, wobei ein Großteil des Beschäftigungsverlusts in den Vereinigten Staaten und im Vereinigten Königreich stattfand. Die große Luft- und Raumfahrtindustrie in der Konföderation Unabhängiger Staaten wurde nach dem Zusammenbruch der Sowjetunion erheblich gestört. In Indien und China gibt es kleine, aber schnell wachsende Produktionskapazitäten. Die Herstellung von Interkontinental- und Weltraumraketen und Langstreckenbombern war weitgehend auf die Vereinigten Staaten und die ehemalige Sowjetunion beschränkt, wobei Frankreich kommerzielle Weltraumstartkapazitäten entwickelt hat. Strategische Raketen mit kürzerer Reichweite, taktische Raketen und Bomber, kommerzielle Raketen und Kampfflugzeuge werden in größerem Umfang hergestellt. Große Verkehrsflugzeuge (Flugzeuge mit 100 oder mehr Sitzplätzen) werden von oder in Zusammenarbeit mit Herstellern mit Sitz in den Vereinigten Staaten und Europa gebaut. Die Herstellung von Regionalflugzeugen (weniger als 100 Sitzplätze) und Geschäftsflugzeugen ist stärker verstreut. Die Herstellung von Flugzeugen für Privatpiloten, hauptsächlich in den Vereinigten Staaten, ging von fast 18,000 Flugzeugen im Jahr 1978 auf weniger als 1,000 im Jahr 1992 zurück, bevor sie sich erholte.
Die Beschäftigung verteilt sich ungefähr zu gleichen Teilen auf die Herstellung von Militärflugzeugen, Verkehrsflugzeugen, Flugkörpern und Raumfahrzeugen und zugehöriger Ausrüstung. Innerhalb einzelner Unternehmen machen Ingenieur-, Fertigungs- und Verwaltungspositionen jeweils etwa ein Drittel der beschäftigten Bevölkerung aus. Etwa 80 % der Beschäftigten in der Luft- und Raumfahrttechnik und -produktion sind Männer, wobei die überwältigende Mehrheit der hochqualifizierten Handwerker, Ingenieure und Produktionsleiter männlich ist.
Branchenabteilungen
Die deutlich unterschiedlichen Bedürfnisse und Praktiken staatlicher und ziviler Kunden führen typischerweise zur Segmentierung von Luft- und Raumfahrtherstellern in Verteidigungs- und Handelsunternehmen oder Abteilungen größerer Unternehmen. Flugzeugzellen, Triebwerke (auch Triebwerke genannt) und Avionik (elektronische Navigations-, Kommunikations- und Flugsteuerungsausrüstung) werden im Allgemeinen von separaten Herstellern geliefert. Triebwerke und Avionik können jeweils ein Viertel der Endkosten eines Verkehrsflugzeugs ausmachen. Die Luft- und Raumfahrtfertigung erfordert die Konstruktion, Fertigung und Montage, Inspektion und Prüfung einer Vielzahl von Komponenten. Hersteller haben miteinander verbundene Reihen von Subunternehmern und externen und internen Zulieferern von Komponenten gebildet, um ihren Bedarf zu decken. Wirtschaftliche, technologische, marketingtechnische und politische Anforderungen haben zu einer zunehmenden Globalisierung der Fertigung von Flugzeugkomponenten und -baugruppen geführt.
Fertigungsmaterialien, Anlagen und Prozesse
Materialien
Flugzeugzellen wurden ursprünglich aus Holz und Stoff hergestellt und entwickelten sich dann zu Strukturkomponenten aus Metall. Aluminiumlegierungen sind aufgrund ihrer Festigkeit und ihres geringen Gewichts weit verbreitet. Insbesondere in Hochleistungsflugzeugen werden auch Legierungen aus Beryllium, Titan und Magnesium verwendet. Fortschrittliche Verbundwerkstoffe (in Kunststoffmatrizen eingebettete Faseranordnungen) sind eine Familie starker und langlebiger Ersatzstoffe für metallische Komponenten. Verbundwerkstoffe bieten gleiche oder größere Festigkeit, geringeres Gewicht und größere Hitzebeständigkeit als derzeit verwendete Metalle und haben den zusätzlichen Vorteil in Militärflugzeugen, dass sie das Radarprofil der Flugzeugzelle erheblich reduzieren. Epoxidharzsysteme sind die am häufigsten verwendeten Verbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt und machen etwa 65 % der verwendeten Materialien aus. Polyimidharzsysteme werden dort eingesetzt, wo eine hohe Temperaturbeständigkeit erforderlich ist. Andere verwendete Harzsysteme umfassen Phenolharze, Polyester und Silikone. Als Härter werden häufig aliphatische Amine eingesetzt. Zu den unterstützenden Fasern gehören Graphit, Kevlar und Glasfaser. Stabilisatoren, Katalysatoren, Beschleuniger, Antioxidantien und Weichmacher wirken als Hilfsmittel, um eine gewünschte Konsistenz zu erzeugen. Zusätzliche Harzsysteme schließen gesättigte und ungesättigte Polyester, Polyurethane und Vinyl-, Acryl-, Harnstoff- und fluorhaltige Polymere ein.
Grundierungen, Lacke und Emailfarben schützen empfindliche Oberflächen vor extremen Temperaturen und korrosiven Bedingungen. Die gebräuchlichste Grundierfarbe besteht aus synthetischen Harzen, die mit Zinkchromat und verlängertem Pigment pigmentiert sind. Es trocknet sehr schnell, verbessert die Haftung von Decklacken und verhindert die Korrosion von Aluminium, Stahl und deren Legierungen. Emaille und Lacke werden auf grundierte Oberflächen als äußere Schutzbeschichtungen und -veredelungen und für Farbzwecke aufgetragen. Flugzeuglacke werden aus trocknenden Ölen, natürlichen und synthetischen Harzen, Pigmenten und geeigneten Lösungsmitteln hergestellt. Lacke können je nach Anwendung Harze, Weichmacher, Celluloseester, Zinkchromat, Pigmente, Füllstoffe und entsprechende Lösungsmittel enthalten. Kautschukmischungen werden häufig in Farben, Auskleidungsmaterialien für Brennstoffzellen, Schmiermitteln und Konservierungsmitteln, Motoraufhängungen, Schutzkleidung, Schläuchen, Dichtungen und Dichtungen verwendet. Natürliche und synthetische Öle werden zur Kühlung, Schmierung und Reibungsminderung in Motoren, Hydrauliksystemen und Werkzeugmaschinen eingesetzt. Flugbenzin und Düsentreibstoff werden aus erdölbasierten Kohlenwasserstoffen gewonnen. Hochenergetische flüssige und feste Brennstoffe finden in der Raumfahrt Anwendung und enthalten Materialien mit inhärent gefährlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften; solche Materialien umfassen flüssigen Sauerstoff, Hydrazin, Peroxide und Fluor.
Im Herstellungsprozess werden viele Materialien verwendet, die nicht Teil der endgültigen Flugzeugzelle werden. Hersteller haben möglicherweise Zehntausende von einzelnen Produkten zur Verwendung zugelassen, obwohl weitaus weniger gleichzeitig verwendet werden. Eine große Menge und Vielfalt an Lösungsmitteln wird verwendet, wobei umweltschädliche Varianten wie Methylethylketon und Freon durch umweltfreundlichere Lösungsmittel ersetzt werden. Chrom- und nickelhaltige Stahllegierungen werden in Werkzeugen verwendet, und kobalt- und wolframcarbidhaltige Hartmetallmeißel werden in Schneidwerkzeugen verwendet. Blei, das früher in Metallumformprozessen verwendet wurde, wird heute nur noch selten verwendet, da es durch Kirksit ersetzt wurde.
Insgesamt verwendet die Luft- und Raumfahrtindustrie mehr als 5,000 Chemikalien und Mischungen chemischer Verbindungen, die meisten von mehreren Lieferanten, und viele Verbindungen enthalten zwischen fünf und zehn Inhaltsstoffe. Die genaue Zusammensetzung einiger Produkte ist urheberrechtlich geschützt oder ein Geschäftsgeheimnis, was zur Komplexität dieser heterogenen Gruppe beiträgt.
Anlagen und Herstellungsverfahren
Die Herstellung von Flugzeugzellen erfolgt typischerweise in großen, integrierten Werken. Neuere Anlagen verfügen oft über großvolumige Abluftsysteme mit kontrollierter Zuluft. Lokale Abgassysteme können für bestimmte Funktionen hinzugefügt werden. Chemisches Fräsen und Lackieren großer Komponenten werden heute routinemäßig in geschlossenen, automatisierten Reihen oder Kabinen durchgeführt, die flüchtige Dämpfe oder Nebel enthalten. Ältere Produktionsanlagen bieten möglicherweise eine viel schlechtere Kontrolle von Umweltgefahren.
Ein großer Kader hochqualifizierter Ingenieure entwickelt und verfeinert die strukturellen Eigenschaften des Luft- oder Raumfahrzeugs. Weitere Ingenieure charakterisieren die Festigkeit und Haltbarkeit von Komponentenmaterialien und entwickeln effektive Herstellungsverfahren. Computer haben einen Großteil der Rechen- und Entwurfsarbeit übernommen, die früher Ingenieure, Zeichner und Techniker erledigten. Integrierte Computersysteme können jetzt verwendet werden, um Flugzeuge ohne die Hilfe von Papierzeichnungen oder Strukturmodellen zu entwerfen.
Die Fertigung beginnt mit der Fertigung: der Herstellung von Teilen aus Lagermaterialien. Die Fertigung umfasst Werkzeug- und Vorrichtungsbau, Blechbearbeitung, maschinelle Bearbeitung, Kunststoff- und Verbundstoffbearbeitung sowie unterstützende Aktivitäten. Werkzeuge werden als Schablonen und Arbeitsflächen gebaut, auf denen Metall- oder Verbundteile konstruiert werden. Vorrichtungen zum Schneiden, Bohren und Montieren. Rumpfunterabschnitte, Türverkleidungen und Flügel- und Leitwerkshäute (Außenflächen) werden typischerweise aus Aluminiumblechen geformt, die präzise geformt, geschnitten und chemisch behandelt werden. Maschinenabläufe sind oft computergesteuert. Riesige schienengebundene Mühlen bearbeiten Flügelholme aus einzelnen Aluminium-Schmiedeteilen. Kleinere Teile werden auf Mühlen, Drehbänken und Schleifmaschinen präzise geschnitten und geformt. Kanäle werden aus Blech oder Verbundwerkstoffen gebildet. Innenbauteile, einschließlich Fußböden, werden typischerweise aus Verbundstoffen oder Laminaten dünner, aber starrer Außenschichten über einem Wabeninneren gebildet. Verbundmaterialien werden von Hand oder maschinell aufgelegt (in sorgfältig angeordnete und geformte überlappende Schichten gelegt) und dann in einem Ofen oder Autoklaven ausgehärtet.
Die Montage beginnt mit dem Zusammenbau von Einzelteilen zu Baugruppen. Zu den wichtigsten Unterbaugruppen gehören Flügel, Stabilisatoren, Rumpfsektionen, Fahrwerke, Türen und Innenkomponenten. Besonders aufwendig ist die Flügelmontage, bei der eine Vielzahl von Löchern präzise in die Häute gebohrt und versenkt werden müssen, durch die später Nieten getrieben werden. Der fertige Flügel wird von innen gereinigt und versiegelt, um einen dichten Tankraum zu gewährleisten. Die Endmontage erfolgt in riesigen Montagehallen, die teilweise zu den größten Fertigungshallen der Welt zählen. Das Montageband umfasst mehrere aufeinanderfolgende Positionen, an denen die Flugzeugzelle mehrere Tage bis über eine Woche verbleibt, während vorbestimmte Funktionen ausgeführt werden. An jeder Position finden gleichzeitig zahlreiche Montagevorgänge statt, wodurch die Gefahr einer Kreuzexposition gegenüber Chemikalien entsteht. Teile und Unterbaugruppen werden auf Rollwagen, kundenspezifischen Trägern und mit Laufkränen an die entsprechende Position bewegt. Die Flugzeugzelle wird mit einem Laufkran zwischen den Positionen bewegt, bis das Lande- und Bugfahrwerk installiert sind. Nachfolgende Bewegungen erfolgen durch Schleppen.
Bei der Endmontage werden die Rumpfsektionen um eine tragende Struktur herum vernietet. Bodenbalken und Stringer werden eingebaut und der Innenraum mit einer korrosionshemmenden Masse beschichtet. Die vorderen und hinteren Rumpfabschnitte sind mit den Flügeln und dem Flügelstummel verbunden (eine kastenartige Struktur, die als Haupttreibstofftank und als strukturelles Zentrum des Flugzeugs dient). Das Rumpfinnere ist mit Decken aus Glasfaserisolierung bedeckt, elektrische Kabel und Luftkanäle sind installiert und die Innenflächen sind mit dekorativen Verkleidungen bedeckt. Anschließend werden Vorratsbehälter, typischerweise mit integrierter Fahrgastbeleuchtung und Notsauerstoffversorgung, installiert. Vormontierte Sitze, Bordküchen und Toiletten werden von Hand bewegt und an Bodenschienen befestigt, was eine schnelle Neukonfiguration der Passagierkabine ermöglicht, um den Anforderungen der Fluggesellschaften zu entsprechen. Triebwerke, Fahrwerk und Bugfahrwerk werden montiert und Avionikkomponenten werden installiert. Die Funktion aller Komponenten wird gründlich getestet, bevor das fertige Flugzeug zu einem separaten, gut belüfteten Lackierhangar geschleppt wird, wo eine schützende Grundierung (normalerweise auf Zink-Chromat-Basis) aufgetragen wird, gefolgt von einer dekorativen Deckschicht aus Urethan oder Epoxid Farbe. Vor der Auslieferung wird das Flugzeug einer strengen Reihe von Boden- und Flugtests unterzogen.
Zusätzlich zu den Arbeitern, die an den eigentlichen Konstruktions- und Herstellungsprozessen beteiligt sind, sind viele Mitarbeiter mit der Planung, Verfolgung und Inspektion von Arbeiten und der Beschleunigung des Transports von Teilen und Werkzeugen beschäftigt. Handwerker warten Elektrowerkzeuge und überarbeiten Schneideinsätze. Für Gebäudeinstandhaltung, Hausmeisterdienste und den Betrieb von Bodenfahrzeugen wird viel Personal benötigt.