Ganzheitliches Massemanagement für exklusive Kabinenausstattung

Beim Umbau eines Airbus A320neo zum VIP-Verkehrsflugzeug wird das Projektteam mit erheblichen gewichtstechnischen Herausforderungen konfrontiert. Insbesondere führt die erhöhte Kabinenmasse durch luxuriöse Ausstattungselemente zu kritischen Belastungen der zulässigen Massegrenzen wie MZFW und MTOW. Durch systematische Masseneinsparung auf Basis von Struktur-, Material- und Systemleichtbau wird die Nutzlastkapazität erhalten und das Zielgewicht eingehalten. Diese Fallstudie zeigt den ingenieurtechnischen Ansatz zur Masseneinflussanalyse, MWE-Kontrolle und COG-Optimierung.

Ausgangssituation

Ein internationaler Betreiber von Business-Charterflügen lässt einen fabrikneuen Airbus A320neo in eine exklusive VIP-Konfiguration überführen. Die Ausgangsbasis bildet ein Serien-A320neo mit einem OEW (Operating Empty Weight) von ca. 44.000 kg.

Die Herausforderung

Die VIP-Ausstattung beinhaltet Lounge-Module, Bürobereiche, ein Kabinenschlafmodul sowie eine spezielle Kabinenbadausstattung. Dadurch steigt das Kabinengewicht um rund 2.500 kg im Vergleich zur Serienausstattung. Die zulässige Zero Fuel Weight (MZFW = 64.300 kg) wird durch das zusätzliche Einbaugut bei vollem Nutzlastprofil überschritten. Zudem muss der Schwerpunkt (COG) innerhalb des zulässigen Bereichs von 23–36 % MAC gehalten werden, ohne Trimgewichte einzusetzen.

Lösungsansatz

Zur Einhaltung der Massegrenzen wird ein mehrstufiges Mass-Property-Management implementiert. Durch Bottom-Up-Massenerfassung, Einsatz von Mass Growth Allowances (MGA) und Nutzung von Mass Properties Reporting-Tools, wie unser Smart Act Tool, wird eine transparente Gewichtskontrolle gewährleistet.

Folgende Maßnahmen zur Gewichtsoptimierung kommen zum Einsatz:

Material Leichtbau:

Substitution schwerer Kabinenwerkstoffe durch speziell optimierte Aluminium- und CFK-Honeycomb-Sandwichplatten mit extrem hoher Schälfestigkeit, sowie dem Einsatz von speziellen Leichtbauinserts

• Faserverbundwerkstoffe (CFK, GFK, Sandwich mit Wabenkern):
  • Einsatz für Seitenverkleidungen, Hatracks, Bürotrennwände
  • Vorteile: hohe spezifische Festigkeit, geringer MOI, Brandschutz nach CS-25
• Hochfeste Aluminium-Strangpressprofile:
  • Verwendung für Rahmen- und Trägersysteme von Möbelmodulen
  • Vorteil: gute Bearbeitbarkeit + Crashverhalten
  • CAD Design & Concepts
• Verbindungstechnologien
• Strukturelles Kleben + Blindnietkombinationen
• Gewichtsoptimierte Einpresssysteme (statt Schraubverbindungen)
• Integration von Funktionsstrukturen (z. B. Kabelkanäle in Tragprofilen)

(Reduktion: 600 kg).

Topologie – Optimierung

Struktur Leichtbau:

• Definition eines Bauraums und der Lastfälle
• Algorithmische Reduktion nichttragender Volumina
• Erreichbare Massereduktion: bis zu 60 %

Multiskalen-FEM & Strukturmodellierung

• Einsatz von Makro-, Meso- und Mikromodellen zur Identifikation kritischer Spannungen
• Orthotrope und anisotrope Materialgesetze für Sandwichpaneele oder textile Laminatstrukturen
• Festigkeits- und Stabilitätsnachweise inkl. Imperfektionsbewertung (siehe auch: Advanced_FEM_Portfolio)

Kombinierter Optimierungsansatz

• Kombination aus CFU-basierter Lastpfadanalyse + CAD-integrierter Topologieverfeinerung
• Fokus auf designkritische Komponenten: Korpusgestelle und Halterungen, Schrankkorpusse, Hatrack-Halterungen, Brackets

(Reduktion: 250 kg).

System Leichtbau:

Vereinfachung der Schnittstellen zwischen Strukturbauteilen und elektrischen Systemen und Optimierung der Klimaversorgungsleitungen durch ganzheitliche Analyse der Potenziale zur Funktionsintegration

• Funktionsintegration: Strukturbauteile übernehmen gleichzeitig Verkleidungs- oder Stauraumfunktionen
• Reduktion der Teiletiefe: Vereinfachung modularer Baueinheiten für effizienteren Aufbau und Demontage
• Gewichtsminimierte Designrichtlinien: Konstruktionsmerkmale angepasst an automatisierte Fertigungsprozesse (RTM, Prepreg)

(Reduktion: 450 kg).

Zudem wird die Schwerpunktlage durch optimierte Nutzlastverteilung innerhalb des CG-Envelopes gehalten.

Ergebnis

Der Payload-Verlust kann durch die Maßnahmen auf 300 kg begrenzt werden. Die finale OEW liegt bei 45.800 kg, was eine ZFW von 62.800 kg erlaubt – innerhalb der MZFW von 64.300 kg. Der errechnete COG wird bei 28 % MAC stabilisiert – optimal für alle Flugphasen.

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Literatur- und Datenquellen

• FAA: Weight and Balance Handbook (FAA-H-8083-1B)
• EASA: Certification Specifications for Large Aeroplanes (CS-25)
• SAWE: Recommended Practice No. RP7 – Mass Properties Terminology Standard
• Airbus Aircraft Characteristics Manual A320neo, Rev. 2023
• Eigene Berechnungen basierend auf OEM-Datenblättern, MWE/OEW-Zusammenstellungen
• Glossar: Spacecraft & Aircraft Weight and Balance, interne Quelle