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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Ribletfolie zur Luftwiderstandsreduktion von Flugzeugen, ein Flugzeug mit einer derartigen Ribletfolie und ein Verfahren zum Prüfen einer Flugzeugstruktur auf die eine derartige Ribletfolie aufgebracht ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Mit dem Begriff „Riblets“ werden Profilkörper auf Oberflächen bezeichnet, die als eine Anordnung mikroskopisch kleiner Rillen bzw. Rippen realisiert sind. Die Verwendung von Riblets auf Strömungsflächen von Luftfahrzeugen dient der Reduktion des Strömungswiderstands und damit der Reduktion des Treibstoffverbrauchs.
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Eine Form der Aufbringung von Riblets auf Flugzeuge erfolgt im Wege der Herstellung so genannter Ribletfolien, welche die Riblets aufweisen, und an den Stellen des Flugzeugs auf die (aerodynamische) Oberfläche aufgebracht werden, wo entsprechende Reduktionen des Strömungswiderstands erwünscht sind.
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Gegebenenfalls nachteilig bei der Verwendung solcher Ribletfolien kann jedoch der Umstand sein, dass die Ribletfolien im Allgemeinen die aerodynamischen Oberflächen auf die sie aufgebracht sind abdecken und somit den Blick auf die darunterliegende Flugzeugoberflächenstruktur in diesen Bereichen einschränken. Folglich sind visuelle Überprüfungen der Struktur in diesen Bereichen nicht immer ohne weiteres möglich. Dies kann die Durchführung von Wartungsaufgaben erschweren und somit den Einsatz von Ribletfolien zumindest lokal einschränken.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ribletfolie bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik beseitigt oder zumindest mildert.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Ribletfolie zur Luftwiderstandsreduktion von Flugzeugen mit einer Suspension, die darin eingeschlossene magnetische Teilchen aufweist, wobei in Abhängigkeit des Verlaufs eines auf die Ribletfolie einwirkenden Magnetfelds zumindest bereichsweise das einwirkende Magnetfeld durch Änderung der Orientierung der magnetischen Teilchen sichtbar gemacht werden kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Ribletfolie wirkt die Suspension mit den darin eingeschlossenen magnetischen Teilchen als ein so genannter Fluxdetektor. Die Suspension ist dabei ein Stoff mit einer Trägerflüssigkeit und darin enthaltenen magnetischen frei drehbaren Teilchen. Die Wirkung des Fluxdetektors basiert darauf, dass die frei drehbaren Teilchen in Abhängigkeit davon ausgerichtet werden, ob das von außerhalb erzeugte Magnetfeld im Wesentlichen orthogonal auf die Ebene des Fluxdetektors oder im Wesentlichen parallel dazu auftrifft. Trifft das Magnetfeld orthogonal auf den Fluxdetektor, so richten sich die magnetischen Teilchen derart aus, dass diese nur einen geringen Teil an Licht reflektieren. Damit erscheint der Fluxdetektor vergleichsweise dunkel. Im Gegensatz dazu wirken die magnetischen Teilchen als eine Art kleine Spiegel, wenn sich das Magnetfeld parallel zur Ebene des Fluxdetektors erstreckt, wodurch der Fluxdetektor hell erscheint. In Abhängigkeit der Anzahl der in der Suspension befindlichen magnetischen Teilchen kann somit eine fein strukturierte Anzeige des Magnetfeldes bereitgestellt werden. Es versteht sich, dass sich der vorbeschriebene Effekt der Reflexion von auf die magnetischen Teilchen auftreffenden Lichts grundsätzlich auch bei allen anderen (Zwischen-)Winkeln eintritt und entsprechend variable Hell-/Dunkelverläufe bewirkt.
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Die erfindungsgemäße Ribletfolie, auf deren einen Seite eine Vielzahl von Riblets (als sehr kleine Rippen ausgebildete Riblets) angeordnet sind, kann dadurch, dass sie selbst gewissermaßen als Fluxdetektor wirkt, in vorteilhafter Weise Unregelmäßigkeiten in der Struktur, auf die die Ribletfolie aufgebracht ist, sichtbar machen, wenn ein Magnetfeld zumindest lokal auf die Struktur und die Ribletfolie einwirkt. Dies deshalb, weil Unregelmäßigkeiten in der Struktur, wie beispielsweise Risse oder anderweitige Störungen, unter dem Einfluss eines auf diesen Strukturbereich einwirkenden magnetischen Feldes den Verlauf der Magnetfeldlinien beeinflussen. Die Beeinflussung erfolgt derart, dass der Verlauf der Magnetfeldlinien in dem Bereich der strukturellen Unregelmäßigkeit im Allgemeinen anders ist, als er ohne die Unregelmäßigkeit (z.B. ohne den Riss) zu erwarten wäre (der Verlauf des Ist-Magnetfelds weicht von dem erwarteten Verlauf des Soll-Magnetfelds ab).
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Somit können beispielsweise durch die erfindungsgemäße Ribletfolie Unregelmäßigkeiten in der Struktur zu Wartungszwecken sichtbar gemacht werden, obwohl diese möglicherweise rein äußerlich durch die Ribletfolie hindurch nicht erkennbar wären (selbst wenn die Ribletfolie transparent ausgebildet ist, weil beispielsweise ein Riss unter der Strukturoberfläche entstanden ist). Durch die erfindungsgemäße Ribletfolie können eventuell auftretende Risse in der darunter liegenden Struktur detektiert werden bzw. sichtbar gemacht werden (wenn die Eindringtiefe des Magnetfelds ausreicht). Der Einsatz bzw. die Anwendung von Ribletfolien wird somit erleichtert.
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Anders ausgedrückt umfasst die erfindungsgemäße Ribletfolie zur Luftwiderstandsreduktion von Flugzeugen auf einer Seite der Folie ausgebildete parallel zueinander angeordnete Riblets und eine Suspension mit darin eingeschlossenen magnetischen Teilchen. Typische Größen von Riblets können beispielsweise folgendermaßen variieren: Riblethöhe (vom Ribletgrund bis zur Ribletspitze) zwischen 0,01 mm und 0,04 mm; Ribletbreite (gemittelt) zwischen 0,005 und 0,02 mm. Gängige Abstände zwischen benachbarten Riblets können beispielsweise zwischen 0,02 mm und 0,08 mm betragen.
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Die erfindungsgemäße Ribletfolie weist eine Foliendicke von ca. 0,05 mm bis 0,25 mm auf (Riblethöhe nicht einbezogen). Es versteht sich, dass diese Angaben je nach Applikationsbereich davon abweichen können (d.h. abhängig davon wo am Flugzeug die Ribletfolie angeordnet ist bzw. welche Strömungsgeschwindigkeitsregime sich ergeben). Die Ribletfolie ist typischerweise flexibel und transparent bzw. transluzent ausgebildet. Das Folienmaterial kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe folgender Kunststoffe: PET (Polyethylenterephthalat), PBT (Polybutylenterephthalat), PEN (Polyethylennaphthalat), PP (Polypropylen), PA (Polyamid) und PE (Polyethylen). Im Rahmen der Erfindung wird unter einer Suspension ein Stoff verstanden, mit einer Trägerflüssigkeit und darin enthaltenen magnetischen, frei drehbaren Teilchen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Ribletfolie umfasst diese eine Schicht mit einer Vielzahl an Mikrokapseln, wobei die Suspension auf die Mikrokapseln verteilt und darin jeweils eingeschlossen ist. Durch die Mikrokapseln, auf die die Suspension verteilt ist, kann eine bessere Ausrichtung der magnetischen Teilchen innerhalb der Mikrokapseln erreicht werden. Aufgrund dessen, dass die magnetischen Teilchen somit im Inneren der Kapseln leichter frei drehbar sind, kann die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Ribletfolie bei der optischen Anzeige von Magnetfeldern erhöht werden. Auch können die magnetischen Teilchen dann grundsätzlich ihre Lage im Inneren der Mikrokapseln einfacher und schneller verändern. Die Suspension kann beispielsweise ein Öl sein und/oder ist bevorzugt gallertartig. Die magnetischen Teilchen können beispielsweise Nickel-, Eisen- und/oder Chromeisenteilchen sein. Die magnetischen Teilchen sind dann in dem Öl bzw. in der gallertartigen Trägerflüssigkeit im Inneren der Mikrokapseln suspendiert. Die magnetischen Teilchen können beispielsweise als so genannte „Flakes“ ausgebildet sein. Im Rahmen der Erfindung wird unter einer Suspension ein Stoff verstanden, mit einer Trägerflüssigkeit und darin enthaltenen magnetischen frei drehbaren Teilchen. Die Schicht mit den Mikrokapseln kann ebenfalls ausgewählt sein aus der Gruppe der o.g. Kunststoffe.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Ribletfolie umfassen die magnetischen Teilchen kolloidales Nickel. Kolloidales Nickel zeigt bei den einzusetzenden Feldstärken der einzubringenden Magnetfelder ein vorteilhaft schnelles Ansprechverhalten. Die auf diese Weise ausgebildeten magnetischen Teilchen sprechen auf Veränderungen im Magnetfeld besonders leicht an und eignen sich somit zur Sichtbarmachung von Unregelmäßigkeiten in der unter der Ribletfolie liegenden Struktur in besonderer Weise.
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Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform der Ribletfolie, bei der die Suspension und/oder die die Mikrokapseln umfassende Schicht auf einem als Trägerfolie dienenden Substrat aufgebracht sind. Durch das als Trägerfolie dienende Substrat erhält die erfindungsgemäße Ribletfolie zusätzlich Stabilität, Reißfestigkeit und Robustheit.
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Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Riblets als im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Rippen mit Spitzen ausgebildet sind. Auf diese Weise haben die erfindungsgemäßen Ribletfolien die vorteilhafte Wirkung einer hohen Reduktion des Luftwiderstands der mit der Ribletfolie versehenen aerodynamischen Oberflächen. Die Ribletfolien werden in der Regel derart auf der aerodynamischen Oberfläche angeordnet, dass die Strömung parallel zu den Riblets verläuft.
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Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weisen die Riblets einen im Wesentlichen dreiecksförmigen Querschnitt auf. Eine derartige Querschnittsform der Riblets ist im Hinblick auf eine effektive Widerstandsreduktion der mit der Ribletfolie versehenen aerodynamischen Oberfläche vorteilhaft.
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Weiter bevorzugt weist die Ribletfolie ferner eine Klebeschicht zum Aufkleben der Ribletfolie auf eine aerodynamische Oberfläche auf. Auf diese Weise wird eine Anbringung der erfindungsgemäßen Folie im industriellen Maßstab ermöglicht. Die Folie lässt sich vergleichsweise einfach bearbeiten, beispielsweise begünstigt durch eine ebene und horizontal gelagerte Folie. Es ermöglicht ferner die einfache Verwendung der Ribletfolie an gekrümmten aerodynamischen Oberflächen und beugt einer Beschädigung der aerodynamischen Fläche beim Aufbringen von Riblets vor. Alternativ kann die erfindungsgemäße Ribletfolie selbst als Klebefolie ausgebildet sein ohne dass eine zusätzliche Klebeschicht vorgesehen ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Flugzeug mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Ribletfolie, die an einer aerodynamischen Oberfläche des Flugzeugs aufgebracht ist. Ein derartiges Flugzeug macht im Wesentlichen von denselben Vorteilen Gebrauch, die die erfindungsgemäße Ribletfolie zeigt. Das heißt, bei einem derartigen Flugzeug ist es durch das lokale Einbringen eines Magnetfeldes in den Bereich der mit der Folie versehenen Struktur möglich, eventuell vorhandene Unregelmäßigkeiten in der Struktur durch ein verändertes Magnetfeld sichtbar zu machen, obwohl die Struktur mit der Ribletfolie bedeckt ist. Dies ist sogar dann möglich, wenn die erfindungsgemäße Ribletfolie selbst nicht transparent ausgestaltet ist oder wenn die Unregelmäßigkeit etwas tiefer in der Struktur liegt und selbst ohne Ribletfolie äußerlich nicht sichtbar wäre.
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Die Aufgabe der Erfindung wird schließlich ebenfalls gelöst durch Verfahren zum Prüfen einer Flugzeugstruktur auf die eine erfindungsgemäße Ribletfolie aufgebracht ist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
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Erzeugen eines Magnetfeldes, Lokales Einwirken des Magnetfeldes auf die zu prüfende Flugzeugstruktur, Anzeigen des erzeugten Magnetfelds mittels der Ribletfolie, und Auswerten des angezeigten Magnetfeldes. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können in vorteilhafter Weise Unregelmäßigkeiten in der Struktur, auf die die Ribletfolie aufgebracht ist, sichtbar gemacht werden. Im Vergleich zu dem Fall, dass keine Unregelmäßigkeiten in der Struktur vorhanden sind, verändert das Vorhandensein der strukturellen Unregelmäßigkeit (beispielsweise Risse oder andersartige Materialveränderungen wie Ermüdungserscheinungen) den Verlauf der Magnetfeldlinien im Bereich der Unregelmäßigkeit. Somit kann bei einer Abweichung des durch die Ribletfolie angezeigten lokalen Verlaufs des Magnetfeldes von einem erwarteten Verlauf des Magnetfeldes abgeleitet werden, ob eine strukturelle Unregelmäßigkeit vorhanden ist oder nicht. Falls erforderlich kann anschließend eine detailliertere Prüfung der Struktur mittels anderer Prüfmethoden erfolgen. Durch das erfindungsgemäße Prüfverfahren wird die Wartung von Flugzeugen vereinfacht und beschleunigt. Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird zum Auswerten das angezeigte Ist-Magnetfeld mit einem Soll-Magnetfeld verglichen.
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Die oben beschriebenen Aspekte und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung können ebenfalls aus den Beispielen der Ausführungsform entnommen werden, welche im Folgenden unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben wird.
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Figurenliste
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder zumindest ähnliche Elemente, Komponenten oder Aspekte verwendet. Es wird angemerkt, dass im Folgenden eine Ausführungsform im Detail beschrieben wird, die lediglich illustrativ und nicht beschränkend ist. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ nicht andere Elemente aus und der unbestimmte Artikel „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Alleinig der Umstand, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, beschränkt nicht den Gegenstand der Erfindung. Auch Kombinationen dieser Merkmale können vorteilhaft eingesetzt werden. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht den Umfang der Ansprüche beschränken. Die Figuren sind nicht maßstäblich zu verstehen sondern haben nur schematischen und illustrativen Charakter. Es zeigen
- 1a eine ribletseitige Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Ribletfolie,
- 1b ein Querschnitt durch die Ribletfolie gemäß 1 entlang der Linie A-A,
- 1c ein vergrößerter Detailausschnitt aus 1b,
- 2a eine perspektivische Ansicht auf eine Flugzeugstruktur, auf die eine Ribletfolie gemäß 1 aufgebracht ist, in einer ersten magnetischen Situation,
- 2b eine perspektivische Ansicht auf eine Struktur, auf die eine Ribletfolie gemäß 1 aufgebracht ist, in einer zweiten magnetischen Situation,
- 3 ein Ablauf von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Prüfung einer Flugzeugstruktur auf die eine Ribletfolie aufgebracht ist, und
- 4 eine Vorderansicht auf ein Flugzeug mit einer Ribletfolie.
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Die 1a bis 1c zeigen eine Ribletfolie 10 zur Reduktion des Luftwiderstands von Flugzeugen. Die Ribletfolie 10 weist einseitig eine Anordnung aus einer Vielzahl an Profilkörpern (den so genannten Riblets 12) auf, die als Rippen 14 bzw. Rillen ausgebildet sind. Die Riblets 12 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und weisen einen dreiecksförmigen Querschnitt mit jeweils einenends ausgebildeten Spitzen 16 auf. Die Riblets 12 bzw. die Ribletfolie 10 werden typischerweise derart ausgerichtet bzw. angeordnet, dass sie im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 18 verlaufen. Die Verwendung von Riblets 12 bzw. Ribletfolien 10 auf aerodynamischen Oberflächen von Flugzeugen dient der Verringerung des Strömungswiderstands und damit der Reduktion des Treibstoffverbrauchs (vgl. 4).
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Die Ribletfolie 10 umfasst eine Suspension 20 mit darin eingeschlossenen magnetischen Teilchen 22 (vgl. Detaillausschnitt in 1c). Die Suspension 20 ist ein Stoff mit einer Trägerflüssigkeit 24 und den darin enthaltenen magnetischen Teilchen 22. Die Suspension 20 ist dabei auf eine Vielzahl von Mikrokapseln 26 verteilt, die in einer Schicht 28 der Ribletfolie 10 angeordnet sind und in denen die Suspension 20 mit den magnetischen Teilchen 22 eingeschlossen sind. Mit anderen Worten: Die die Ribletfolie 10 umfasst eine Schicht 28 mit einer Vielzahl an Mikrokapseln 26, wobei die Suspension 20 in eine Mehrzahl von Teilmengen auf die Mikrokapseln 26 verteilt und darin jeweils eingeschlossen ist. Die magnetischen Teilchen 22 können beispielsweise kolloidales Nickel und die Trägerflüssigkeit 24 kann beispielsweise Öl bzw. eine gallertartige Flüssigkeit sein, die eine frei drehbare Lagerung der magnetischen Teilchen 22 in der Trägerflüssigkeit 24 ermöglicht.
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Die Schicht 28, welche die Mikrokapseln 26 umfasst, ist auf einem Substrat 30 aufgebracht, das als Trägerfolie dient. Die Ribletfolie 10 weist ferner auf der den Riblets 12 gegenüberliegenden Seite der Ribletfolie 10 eine Klebeschicht 32 zum Aufkleben der Ribletfolie 10 auf eine aerodynamische Oberfläche auf.
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In der 2a und 2b ist ausschnittsweise und beispielhaft eine Flugzeugstruktur 34 dargestellt, auf deren aerodynamischen Oberfläche 36 die Ribletfolie 10 aufgebracht ist (beispielsweise mittels der Klebeschicht 32). Der besseren Verständlichkeit halber sind in den 2a und 2b die Riblets 12 und die Schichten 30, 32 nicht dargestellt. In der 2a ist die Flugzeugstruktur 34 unbeschadet bzw. die Flugzeugstruktur 34 weist keine strukturelle Unregelmäßigkeit auf. In der 2b weist die Flugzeugstruktur 34 eine strukturelle Unregelmäßigkeit 38 auf (als strukturelle Unregelmäßigkeit 38 kann beispielsweise ein Riss in der Flugzeugstruktur 34 vorhanden sein).
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Indem durch einen in den 2a und 2b nicht dargestellten Magneten lokal ein Magnetfeld 40', 40" in die Struktur 34 eingebracht wird, wirkt das entsprechende Magnetfeld 40', 40" lokal auf die zu prüfende Flugzeugstruktur 34 ein, und es stellen sich aufgrund des Vorhandenseins oder Nicht-Vorhandenseins der Unregelmäßigkeit 38 bzw. des Risses (2b bzw. 2a) die durch die Feldlinien des Magnets 40', 40" dargestellten unterschiedlichen Verläufe in der Flugzeugstruktur 34 bzw. unmittelbar im Bereich der Oberfläche 36 ein.
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Die durch die unterschiedlichen Verläufe der Feldlinien des Magnetfelds 40', 40" charakterisierten magnetischen Situationen werden durch die Ribletfolie 10 sichtbar gemacht, denn in Abhängigkeit des Verlaufs des auf die Ribletfolie 10 einwirkenden Magnetfelds 40', 40" kann zumindest bereichsweise das einwirkende Magnetfeld 40', 40"durch Änderung der Orientierung der magnetischen Teilchen 22 sichtbar gemacht werden. Die Sichtbarmachung erfolgt deshalb, weil die Suspension 20 mit den darin eingeschlossenen magnetischen Teilchen 22 als ein Fluxdetektor wirkt. Die frei drehbaren Teilchen 22 werden in Abhängigkeit davon ausgerichtet, mit welchem Winkel das von außerhalb erzeugte Magnetfeld 40', 40"auf die frei drehbaren magnetischen Teilchen 22 auftrifft. Je nach Auftreffwinkel richten sich die magnetischen Teilchen 22 lokal derart aus, dass diese nur einen geringeren Teil oder einen größeren Teil an Licht reflektieren. Damit erscheint die Ribletfolie 10 lokal dunkler oder heller und es ergeben sich für die jeweilige magnetische Situation 40', 40" charakteristische Helligkeitsverläufe, die an der äußeren Erscheinung der Ribletfolie 10 abgelesen werden können.
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Aufgrund des unterschiedlichen Verlaufs der Feldlinien des durch die Ribletfolie 10 sichtbar gemachten Magnetfelds 40', 40" kann auf das Vorhandensein oder das Nicht-Vorhandensein von Unregelmäßigkeiten 38 (z.B. Rissen) in der Flugzeugstruktur 34 geschlossen werden. Dies erlaubt es in vorteilhafter Weise, die unterhalb der Ribletfolien 10 liegende Flugzeugstruktur 34 auf Unregelmäßigkeiten 38 hin zu inspizieren, beispielsweise zu Wartungszwecken des Flugzeugs.
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In der 3 ist das Verfahren zum Prüfen der Flugzeugstruktur 34, auf die eine Ribletfolie 10 aufgebracht ist, schematisch dargestellt. Es umfasst die folgenden Verfahrensschritte: Zunächst wird in einem ersten Schritt 42 ein Magnetfeld 40 erzeugt, dann wird in einem zweiten Schritt 44 das Magnetfeld 40 lokal auf bzw. in die zu prüfende Flugzeugstruktur 34 eingebracht (d.h. Lokales Einwirken des Magnetfelds 40). Dadurch wird in einem weiteren Schritt 46 das erzeugte Magnetfeld 40 mittels der Ribletfolie 10 angezeigt bzw. sichtbar. Schließlich wird das angezeigten Magnetfeld 40 in einem letzten Schritt 48 ausgewertet. Zum Auswerten kann das angezeigte Ist-Magnetfeld 40"mit einem Soll-Magnetfeld 40' verglichen werden.
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Die 4 zeigt schließlich ein Flugzeug 50 mit einer Ribletfolie 10, die an einer aerodynamischen Oberfläche 36 des Flugzeugs 50 aufgebracht ist. Das Flugzeug 50 bzw. die unter der aerodynamischen Oberfläche 36 befindliche Flugzeugstruktur 34 kann durch lokales Einbringen eines Magnetfeldes 40', 40" in den Oberflächenbereich der Flugzeugstruktur 34 durch die Ribletfolie 10 beispielsweise auf Risse hin untersucht werden.
