Σύνθετα στην Αεροπορική Βιομηχανία

Χρήση διαφόρων υλικών στο Boeing 787 Dreamliner. ^[1]

Τα σύνθετα υλικά ^W χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία αεροσκαφών και επέτρεψαν στους μηχανικούς να ξεπεράσουν τα εμπόδια που έχουν συναντήσει όταν χρησιμοποιούν τα υλικά μεμονωμένα. Τα συστατικά διατηρούν την ταυτότητά τους στα σύνθετα υλικά και δεν διαλύονται ή αλλιώς συγχωνεύονται πλήρως μεταξύ τους. Μαζί, τα υλικά δημιουργούν ένα «υβριδικό» υλικό που έχει βελτιωμένες δομικές ιδιότητες.

Η ανάπτυξη ελαφρών, ανθεκτικών σε υψηλές θερμοκρασίες σύνθετων υλικών θα επιτρέψει την υλοποίηση της επόμενης γενιάς υψηλών επιδόσεων, οικονομικών σχεδίων αεροσκαφών. Η χρήση τέτοιων υλικών θα μειώσει την κατανάλωση καυσίμου, θα βελτιώσει την απόδοση και θα μειώσει το άμεσο λειτουργικό κόστος των αεροσκαφών.

Τα σύνθετα υλικά μπορούν να διαμορφωθούν σε διάφορα σχήματα και, εάν είναι επιθυμητό, ​​οι ίνες μπορούν να τυλιχτούν σφιχτά για να αυξηθεί η αντοχή. Ένα χρήσιμο χαρακτηριστικό των σύνθετων υλικών είναι ότι μπορούν να στρωθούν, με τις ίνες σε κάθε στρώμα να τρέχουν σε διαφορετική κατεύθυνση. Αυτό επιτρέπει σε έναν μηχανικό να σχεδιάζει κατασκευές με μοναδικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, μια δομή μπορεί να σχεδιαστεί έτσι ώστε να κάμπτεται προς μια κατεύθυνση, αλλά όχι προς μια άλλη. ^[2]

Σύνθεση βασικών σύνθετων υλικών

Παράδειγμα βασικού σύνθετου υλικού.

Σε ένα βασικό σύνθετο, ένα υλικό λειτουργεί ως μήτρα στήριξης, ενώ ένα άλλο υλικό στηρίζεται σε αυτό το ικρίωμα βάσης και ενισχύει ολόκληρο το υλικό. Ο σχηματισμός του υλικού μπορεί να είναι μια δαπανηρή και πολύπλοκη διαδικασία. Στην ουσία, μια μήτρα υλικού βάσης απλώνεται σε καλούπι υπό υψηλή θερμοκρασία και πίεση. Στη συνέχεια, ένα εποξειδικό ή ρητίνη χύνεται πάνω από το βασικό υλικό, δημιουργώντας ένα ισχυρό υλικό όταν το σύνθετο υλικό ψύχεται. Το σύνθετο υλικό μπορεί επίσης να παραχθεί με την ενσωμάτωση ινών ενός δευτερεύοντος υλικού στη βασική μήτρα.

Τα σύνθετα υλικά έχουν καλή αντοχή σε εφελκυσμό και αντοχή στη συμπίεση, καθιστώντας τα κατάλληλα για χρήση στην κατασκευή ανταλλακτικών αεροσκαφών. Η αντοχή σε εφελκυσμό του υλικού προέρχεται από την ινώδη φύση του. Όταν εφαρμόζεται δύναμη εφελκυσμού, οι ίνες εντός του σύνθετου υλικού ευθυγραμμίζονται με την κατεύθυνση της ασκούμενης δύναμης, δίνοντας την αντοχή εφελκυσμού του. Η καλή αντίσταση στη συμπίεση μπορεί να αποδοθεί στις ιδιότητες κόλλας και ακαμψίας του συστήματος βασικής μήτρας. Ο ρόλος της ρητίνης είναι να διατηρεί τις ίνες ως ευθείες στήλες και να τις εμποδίζει να λυγίσουν.

Αεροπορία και σύνθετα

Τα σύνθετα υλικά είναι σημαντικά για την αεροπορική βιομηχανία επειδή παρέχουν δομική αντοχή συγκρίσιμη με τα μεταλλικά κράματα, αλλά με μικρότερο βάρος. Αυτό οδηγεί σε βελτιωμένη απόδοση καυσίμου και απόδοση από ένα αεροσκάφος. ^{[3] [4]}

Ο ρόλος των σύνθετων υλικών στην αεροπορική βιομηχανία

Χρήση διαφόρων υλικών στο Boeing 787 Dreamliner. ^[1]

Το fiberglass είναι το πιο κοινό σύνθετο υλικό και αποτελείται από ίνες γυαλιού ενσωματωμένες σε μια μήτρα ρητίνης. Το Fiberglass χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά ευρέως τη δεκαετία του 1950 για σκάφη και αυτοκίνητα. Το Fiberglass χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στο επιβατικό αεροσκάφος Boeing 707 τη δεκαετία του 1950, όπου αποτελούσε περίπου το δύο τοις εκατό της δομής. Κάθε γενιά νέων αεροσκαφών που κατασκεύαζε η Boeing είχε αυξημένο ποσοστό χρήσης σύνθετων υλικών. το υψηλότερο είναι 50% χρήση σύνθετου υλικού στο 787 Dreamliner .

Το Boeing 787 Dreamliner θα είναι το πρώτο εμπορικό αεροσκάφος στο οποίο τα κύρια δομικά στοιχεία είναι κατασκευασμένα από σύνθετα υλικά και όχι από κράματα αλουμινίου. ^[1] Θα υπάρξει μια μετατόπιση από τα αρχαϊκά σύνθετα υλικά από υαλοβάμβακα σε πιο προηγμένα σύνθετα υλικά από έλασμα άνθρακα και σύνθετα σάντουιτς άνθρακα σε αυτό το αεροσκάφος. Προβλήματα έχουν προκύψει με το φτερό κουτί του Dreamliner, τα οποία έχουν αποδοθεί σε ανεπαρκή ακαμψία στα σύνθετα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του εξαρτήματος. ^[1] Αυτό έχει οδηγήσει σε καθυστερήσεις στις αρχικές ημερομηνίες παράδοσης του αεροσκάφους. Προκειμένου να επιλύσει αυτά τα προβλήματα, η Boeing σκληραίνει τα κιβώτια πτερυγίων προσθέτοντας νέους βραχίονες σε κιβώτια πτερυγίων που έχουν ήδη κατασκευαστεί, ενώ τροποποιεί τα κιβώτια πτερυγίων που δεν έχουν ακόμη κατασκευαστεί. ^[1]

Δοκιμές σύνθετων υλικών

Έχει βρεθεί δύσκολο να μοντελοποιηθεί με ακρίβεια η απόδοση ενός σύνθετου εξαρτήματος με προσομοίωση υπολογιστή λόγω της πολύπλοκης φύσης του υλικού. Τα σύνθετα υλικά τοποθετούνται συχνά το ένα πάνω στο άλλο για πρόσθετη αντοχή, αλλά αυτό περιπλέκει τη φάση δοκιμής πριν από την κατασκευή, καθώς τα στρώματα είναι προσανατολισμένα σε διαφορετικές κατευθύνσεις, καθιστώντας δύσκολη την πρόβλεψη της συμπεριφοράς τους κατά τη δοκιμή. ^[1]

Μπορούν επίσης να πραγματοποιηθούν μηχανικές δοκιμές καταπόνησης στα εξαρτήματα. Αυτές οι δοκιμές ξεκινούν με μοντέλα μικρής κλίμακας, στη συνέχεια προχωρούν σε προοδευτικά μεγαλύτερα τμήματα της δομής και, τέλος, στην πλήρη δομή. Τα δομικά μέρη τοποθετούνται σε υδραυλικά μηχανήματα που τα λυγίζουν και τα στρίβουν για να μιμηθούν τάσεις που υπερβαίνουν κατά πολύ τις χειρότερες αναμενόμενες συνθήκες σε πραγματικές πτήσεις.

Παράγοντες χρήσης σύνθετου υλικού

Η μείωση βάρους είναι το μεγαλύτερο πλεονέκτημα της χρήσης σύνθετου υλικού και είναι ένας από τους βασικούς παράγοντες στις αποφάσεις σχετικά με την επιλογή του. Άλλα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν την υψηλή αντοχή στη διάβρωση και την αντοχή του σε ζημιές από κόπωση. Αυτοί οι παράγοντες παίζουν ρόλο στη μείωση του λειτουργικού κόστους του αεροσκάφους μακροπρόθεσμα, βελτιώνοντας περαιτέρω την απόδοσή του. Τα σύνθετα υλικά έχουν το πλεονέκτημα ότι μπορούν να διαμορφωθούν σε σχεδόν οποιοδήποτε σχήμα χρησιμοποιώντας τη διαδικασία χύτευσης, αλλά αυτό επιδεινώνει το ήδη δύσκολο πρόβλημα μοντελοποίησης.

Ένα σημαντικό μειονέκτημα σχετικά με τη χρήση σύνθετων υλικών είναι ότι είναι ένα σχετικά νέο υλικό και ως εκ τούτου έχουν υψηλό κόστος. Το υψηλό κόστος αποδίδεται επίσης στην εντατική και συχνά πολύπλοκη διαδικασία κατασκευής. Τα σύνθετα υλικά είναι δύσκολο να ελεγχθούν για ελαττώματα, ενώ μερικά από αυτά απορροφούν την υγρασία.

Αν και είναι πιο βαρύ, το αλουμίνιο, αντίθετα, είναι εύκολο να κατασκευαστεί και να επισκευαστεί. Μπορεί να τρυπηθεί ή να τρυπηθεί και να εξακολουθεί να συγκρατείται. Τα σύνθετα δεν είναι έτσι. αν καταστραφούν, απαιτούν άμεση επισκευή, η οποία είναι δύσκολη και ακριβή.

Εξοικονόμηση καυσίμου με μειωμένο βάρος

Η κατανάλωση καυσίμου εξαρτάται από διάφορες μεταβλητές, όπως: βάρος ξηρού αεροσκάφους, βάρος ωφέλιμου φορτίου, ηλικία αεροσκάφους, ποιότητα καυσίμου, ταχύτητα αέρα, καιρός, μεταξύ άλλων. Το βάρος των εξαρτημάτων του αεροσκάφους από σύνθετα υλικά μειώνεται κατά περίπου 20%, όπως στην περίπτωση του 787 Dreamliner. ^[4]

Ένα δείγμα υπολογισμού της συνολικής εξοικονόμησης καυσίμου με 20% μείωση του κενού βάρους θα γίνει παρακάτω για ένα αεροσκάφος Airbus A340-300.

Οι αρχικές τιμές δειγμάτων για αυτήν τη μελέτη περίπτωσης ελήφθησαν από εξωτερική πηγή. ^[5]

Δεδομένος:

• Λειτουργικό Κενό Βάρος (OEW): 129.300 kg
• Μέγιστο μηδενικό βάρος καυσίμου (MZFW): 178.000 kg
• Μέγιστο βάρος απογείωσης (MTOW): 275.000 kg
• Μέγιστη. Εύρος @ Μέγ. Βάρος: 10.458 χλμ

Άλλες ποσότητες μπορούν να υπολογιστούν από τα παραπάνω δεδομένα:

• Μέγιστο βάρος φορτίου = MZFW - OEW = 48.700 κιλά
• Μέγιστο Βάρος Καυσίμου = MTOW - MZFW = 97.000 κιλά

Έτσι, μπορούμε περαιτέρω να υπολογίσουμε την κατανάλωση καυσίμου σε kg/km με βάση το μέγιστο βάρος καυσίμου και τη μέγιστη εμβέλεια = 97.000kg/10.458km = 9,275kg/km

Ακολουθεί ο υπολογισμός για την αναμενόμενη εξοικονόμηση καυσίμου με μείωση βάρους 20%, η οποία θα μειώσει μόνο την τιμή OEW κατά 20%:

• OEW(νέο) = 129.300 κιλά * 0,8 = 103.440 κιλά, που ισοδυναμεί με εξοικονόμηση βάρους 25.860 κιλών.

Υποθέτοντας ότι το βάρος φορτίου και καυσίμου παραμένουν σταθερά:

• MZFW(νέο) = MZFW - 25.680kg = 152.320kg
• MTOW(νέο) = MTOW - 25.680kg = 249.320kg

Η μάζα των 97.000 κιλών καυσίμου έχει μειωμένο MTOW για να αντιμετωπίσει, και έτσι θα έχει αυξημένη εμβέλεια επειδή το μέγιστο βάρος και το μέγιστο εύρος είναι αντιστρόφως ανάλογες ποσότητες.

Χρησιμοποιώντας απλούς λόγους για τον υπολογισμό του νέου εύρους:

249,320κσολ275,000κσολ=10,458κΜΧκΜ{\displaystyle {\frac {249.320kg}{275.000kg}}={\frac {10.458km}{Xkm}}}

Η επίλυση του X δίνει μια νέα σειρά από:

• Χ = 11.535,18χλμ

Αυτό δίνει μια νέα τιμή για την κατανάλωση καυσίμου με μειωμένο βάρος = 97.000kg/11.535,18km = 8,409kg/km

Για να το θέσουμε αυτό στην προοπτική, σε ένα ταξίδι 10.000 χλμ. , θα υπάρξει κατά προσέγγιση εξοικονόμηση καυσίμου 8.660 κιλών με 20% μείωση του άδειου βάρους.

Περιβαλλοντική επίπτωση

Είναι δυνατή η ανακύκλωση εξαρτημάτων από παροπλισμένα αεροσκάφη. ^[6]

Υπάρχει μια στροφή που αναπτύσσεται πιο έντονα προς την Πράσινη Μηχανική . Το περιβάλλον μας τυγχάνει αυξημένης σκέψης και προσοχής από τη σημερινή κοινωνία. Αυτό ισχύει και για την κατασκευή σύνθετων υλικών.

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα σύνθετα υλικά έχουν μικρότερο βάρος και παρόμοιες τιμές αντοχής με τα βαρύτερα υλικά. Όταν το ελαφρύτερο σύνθετο υλικό μεταφέρεται ή χρησιμοποιείται σε μια εφαρμογή μεταφοράς, υπάρχει χαμηλότερο περιβαλλοντικό φορτίο σε σύγκριση με τις βαρύτερες εναλλακτικές λύσεις. Τα σύνθετα υλικά είναι επίσης πιο ανθεκτικά στη διάβρωση από τα μεταλλικά υλικά, πράγμα που σημαίνει ότι τα εξαρτήματα θα διαρκέσουν περισσότερο. ^[7] Αυτοί οι παράγοντες συνδυάζονται για να κάνουν τα σύνθετα υλικά καλά εναλλακτικά υλικά από περιβαλλοντική άποψη.

Τα συμβατικά παραγόμενα σύνθετα υλικά κατασκευάζονται από ίνες και ρητίνες με βάση το πετρέλαιο και είναι από τη φύση τους μη βιοαποδομήσιμα. ^[8] Αυτό παρουσιάζει ένα σημαντικό πρόβλημα, καθώς τα περισσότερα σύνθετα υλικά καταλήγουν σε χωματερή μόλις τελειώσει ο κύκλος ζωής ενός σύνθετου υλικού. ^[8] Γίνεται σημαντική έρευνα σε βιοαποικοδομήσιμα σύνθετα υλικά που κατασκευάζονται από φυσικές ίνες. ^[9] Η ανακάλυψη βιοαποικοδομήσιμων σύνθετων υλικών που μπορούν εύκολα να κατασκευαστούν σε μεγάλη κλίμακα και έχουν ιδιότητες παρόμοιες με τα συμβατικά σύνθετα υλικά θα φέρει επανάσταση σε αρκετούς κλάδους, συμπεριλαμβανομένης της αεροπορικής βιομηχανίας.

Μια εναλλακτική επιλογή για την ενίσχυση των περιβαλλοντικών προσπαθειών θα ήταν η ανακύκλωση χρησιμοποιημένων ανταλλακτικών από παροπλισμένα αεροσκάφη. Η «μη μηχανική» ενός αεροσκάφους είναι μια πολύπλοκη και δαπανηρή διαδικασία, αλλά μπορεί να εξοικονομήσει χρήματα από τις εταιρείες λόγω του υψηλού κόστους αγοράς ανταλλακτικών από πρώτο χέρι. ^[6]

Μελλοντικά σύνθετα υλικά

Σύνθετα κεραμικής μήτρας

Major efforts are underway to develop light-weight, high-temperature composite materials at National Aeronautics and Space Administration (NASA) for use in aircraft parts. Temperatures as high as 1650°C are anticipated for the turbine inlets of a conceptual engine based on preliminary calculations.^[3] In order for materials to withstand such temperatures, the use of Ceramic Matrix Composites (CMCs) is required. The use of CMCs in advanced engines will also allow an increase in the temperature at which the engine can be operated, leading to increased yield.^[10] Although CMCs are promising structural materials, their applications are limited due to lack of suitable reinforcement materials, processing difficulties, lifetime and cost.

Spider silk fibres

Scientists have as of yet been unable to perfectly re-synthesize spider silk.

Spider silk is another promising material for composite material usage. Spider silk exhibits high ductility, allowing stretching of a fibre up to 140% of its normal length.^[11] Spider silk also holds its strength at temperatures as low as -40°C.^[11] These properties make spider silk ideal for use as a fibre material in the production of ductile composite materials that will retain their strength even at abnormal temperatures. Ductile composite materials will be beneficial to an aircraft in parts that will be subject to variable stresses, such as the joining of a wing with the main fuselage. The increased strength, toughness and ductility of such a composite will allow greater stresses to be applied to the part or joining before catastrophic failure occurs. Synthetic spider silk based composites will also have the advantage that their fibres will be biodegradable.

Many unsuccessful attempts have been made at reproducing spider silk in a laboratory, but perfect re-synthesis has not yet been achieved.^[12]

Hybrid composite steel sheets

Another promising material can be stainless steel constructed with inspiration from composites and nanontech-fibres and plywood. The sheets of steel is made of same material and is able to handle and tool exactly the same way as conventional steel. But is some percent lighter for the same strengths. This is especially valuable for vehicle manufacturing. Patent pending, swedish company Lamera is a spinoff from research within Volvo Industries.

Conclusion

Due to their higher strength-to-weight ratios, composite materials have an advantage over conventional metallic materials; although, currently it is expensive to fabricate composites. Until techniques are introduced to reduce initial implementation costs and address the issue of non-biodegradability of current composites, this relatively new material will not be able to completely replace traditional metallic alloys.

References