Composites in the Aircraft Industry

Composite materials^W are widely used in the Aircraft Industry and have allowed engineers to overcome obstacles that have been met when using the materials individually. The constituent materials retain their identities in the composites and do not dissolve or otherwise merge completely into each other. Together, the materials create a 'hybrid' material that has improved structural properties.

The development of light-weight, high-temperature resistant composite materials will allow the next generation of high-performance, economical aircraft designs to materialize. Usage of such materials will reduce fuel consumption, improve efficiency and reduce direct operating costs of aircrafts.

Composite materials can be formed into various shapes and, if desired, the fibres can be wound tightly to increase strength. A useful feature of composites is that they can be layered, with the fibres in each layer running in a different direction. This allows an engineer to design structures with unique properties. For example, a structure can be designed so that it will bend in one direction, but not another.^[2]

Synthesis of basic composites

In a basic composite, one material acts as a supporting matrix, while another material builds on this base scaffolding and reinforces the entire material. Formation of the material can be an expensive and complex process. In essence, a base material matrix is laid out in a mould under high temperature and pressure. An epoxy or resin is then poured over the base material, creating a strong material when the composite material is cooled. The composite can also be produced by embedding fibres of a secondary material into the base matrix.

Composites have good tensile strength and resistance to compression, making them suitable for use in aircraft part manufacture. The tensile strength of the material comes from its fibrous nature. When a tensile force is applied, the fibres within the composite line up with the direction of the applied force, giving its tensile strength. The good resistance to compression can be attributed to the adhesive and stiffness properties of the base matrix system. It is the role of the resin to maintain the fibres as straight columns and to prevent them from buckling.

Aviation and composites

Composite materials are important to the Aviation Industry because they provide structural strength comparable to metallic alloys, but at a lighter weight. This leads to improved fuel efficiency and performance from an aircraft.^[3][4]

The role of composites in the aviation industry

Fibreglass is the most common composite material, and consists of glass fibres embedded in a resin matrix. Fibreglass was first used widely in the 1950s for boats and automobiles. Fibreglass was first used in the Boeing 707 passenger jet in the 1950s, where it comprised about two percent of the structure. Each generation of new aircraft built by Boeing had an increased percentage of composite material usage; the highest being 50% composite usage in the 787 Dreamliner.

The Boeing 787 Dreamliner will be the first commercial aircraft in which major structural elements are made of composite materials rather than aluminum alloys.^[1] There will be a shift away from archaic fibreglass composites to more advanced carbon laminate and carbon sandwich composites in this aircraft. Problems have been encountered with the Dreamliner's wing box, which have been attributed to insufficient stiffness in the composite materials used to build the part.^[1] This has lead to delays in the initial delivery dates of the aircraft. In order to resolve these problems, Boeing is stiffening the wing boxes by adding new brackets to wing boxes already built, while modifying wing boxes that are yet to be built.^[1]

Testing of composite materials

It has been found difficult to accurately model the performance of a composite-made part by computer simulation due to the complex nature of the material. Composites are often layered on top of each other for added strength, but this complicates the pre-manufacture testing phase, as the layers are oriented in different directions, making it difficult to predict how they will behave when tested.^[1]

Mechanical stress tests can also be performed on the parts. These tests start with small scale models, then move on to progressively larger parts of the structure, and finally to the full structure. The structural parts are put into hydraulic machines that bend and twist them to mimic stresses that go far beyond worst-expected conditions in real flights.

Factors of composite material usage

La réduction de poids est le plus grand avantage de l’utilisation de matériaux composites et constitue l’un des facteurs clés dans les décisions concernant son choix. D’autres avantages incluent sa résistance élevée à la corrosion et sa résistance aux dommages causés par la fatigue. Ces facteurs jouent un rôle dans la réduction des coûts d’exploitation de l’avion à long terme, améliorant encore son efficacité. Les composites ont l’avantage de pouvoir être formés dans presque n’importe quelle forme en utilisant le processus de moulage, mais cela aggrave le problème de modélisation déjà difficile.

Un inconvénient majeur de l’utilisation des composites est qu’ils sont un matériau relativement nouveau et, en tant que tel, ont un coût élevé. Le coût élevé est également attribué au processus de fabrication à forte intensité de main-d’œuvre et souvent complexe. Les composites sont difficiles à inspecter pour détecter les défauts, tandis que certains d’entre eux absorbent l’humidité.

Même s’il est plus lourd, l’aluminium, en revanche, est facile à fabriquer et à réparer. Il peut être bosselé ou perforé et toujours tenir ensemble. Les composites ne sont pas comme ça; S’ils sont endommagés, ils nécessitent une réparation immédiate, ce qui est difficile et coûteux.

Économies de carburant avec un poids réduit

La consommation de carburant dépend de plusieurs variables, notamment : le poids sec de l’avion, le poids de la charge utile, l’âge de l’aéronef, la qualité du carburant, la vitesse de l’air, les conditions météorologiques, entre autres. Le poids des composants d’avion en matériaux composites est réduit d’environ 20%, comme dans le cas du 787 Dreamliner. ^[4]

Un exemple de calcul des économies totales de carburant avec une réduction de poids à vide de 20 % sera effectué ci-dessous pour un Airbus A340-300.

Les valeurs initiales de l’échantillon pour cette étude de cas ont été obtenues d’une source externe. ^[5]

Donné:

• Poids à vide en fonctionnement (OEW): 129,300kg
• Poids maximum zéro carburant (MZFW): 178 000 kg
• Masse maximale au décollage (MTOW) : 275 000 kg
• Max. Portée @ Max. Poids: 10,458km

D’autres quantités peuvent être calculées à partir des chiffres ci-dessus:

• Poids maximal de la cargaison = MZFW - OEW = 48 700 kg
• Poids maximal du carburant = MTOW - MZFW = 97 000 kg

Ainsi, nous pouvons calculer davantage la consommation de carburant en kg / km en fonction du poids maximal du carburant et de l’autonomie maximale = 97 000 kg / 10 458 km = 9,275 kg / km

Voici le calcul des économies de carburant prévues avec une réduction de poids de 20 %, ce qui ne réduira la valeur OEW que de 20 % :

• OEW (nouveau) = 129 300 kg * 0,8 = 103 440 kg, ce qui équivaut à une économie de poids de 25 860 kg.

En supposant que le poids de la cargaison et du carburant reste constant:

• MZFW(nouveau) = MZFW - 25 680 kg = 152 320 kg
• MTOW(nouveau) = MTOW - 25 680 kg = 249 320 kg

La masse de 97 000 kg de carburant a une MTOW réduite à gérer, et aura donc une autonomie accrue parce que le poids maximum et la portée maximale sont des quantités inversement proportionnelles.

En utilisant des ratios simples pour calculer la nouvelle plage :

249,320kg275,000kg=10,458kmXkm{\displaystyle {\frac {249,320kg}{275,000kg}}={\frac {10,458km}{Xkm}}}

Solving for X donne une nouvelle gamme de:

• X = 11 535,18 km

Cela donne une nouvelle valeur pour la consommation de carburant avec un poids réduit = 97 000 kg / 11 535,18 km = 8,409 kg / km

Pour mettre cela en perspective, sur un trajet de 10 000 km, il y aura une économie de carburant d’environ 8 660 kg avec une réduction de 20% du poids à vide.

Impact sur l’environnement

Il y a un changement qui se développe de plus en plus vers l’ingénierie verte. Notre environnement fait l’objet d’une réflexion et d’une attention accrues de la part de la société d’aujourd’hui. Cela vaut également pour la fabrication de matériaux composites.

Comme mentionné précédemment, les composites ont un poids plus léger et des valeurs de résistance similaires à celles des matériaux plus lourds. Lorsque le composite plus léger est transporté ou utilisé dans une application de transport, la charge environnementale est inférieure à celle des alternatives plus lourdes. Les composites sont également plus résistants à la corrosion que les matériaux à base métallique, ce qui signifie que les pièces dureront plus longtemps. ^[7] Ces facteurs se combinent pour faire des composites de bons matériaux alternatifs d’un point de vue environnemental.

Les matériaux composites produits de manière conventionnelle sont fabriqués à partir de fibres et de résines à base de pétrole et ne sont pas biodégradables par nature. ^[8] Cela pose un problème important, car la plupart des composites finissent dans une décharge une fois que le cycle de vie d’un composite est terminé. ^[8] D’importantes recherches sont menées sur les composites biodégradables fabriqués à partir de fibres naturelles. ^[9] La découverte de matériaux composites biodégradables qui peuvent être facilement fabriqués à grande échelle et qui ont des propriétés similaires aux composites conventionnels va révolutionner plusieurs industries, dont l’industrie aéronautique.

Une autre option pour soutenir les efforts environnementaux serait de recycler les pièces usagées des aéronefs déclassés. La « désingénierie » d’un avion est un processus complexe et coûteux, mais peut permettre aux entreprises d’économiser de l’argent en raison du coût élevé de l’achat de pièces de première main. ^[6]

Futurs matériaux composites

Composites à matrice céramique

D’importants efforts sont en cours pour développer des matériaux composites légers et à haute température à la National Aeronautics and Space Administration (NASA) pour une utilisation dans les pièces d’avion. Des températures aussi élevées que 1650 °C sont prévues pour les entrées de turbine d’un moteur conceptuel sur la base de calculs préliminaires. ^[3] Pour que les matériaux résistent à de telles températures, l’utilisation de composites à matrice céramique (CMC) est requise. L’utilisation de CMC dans les moteurs avancés permettra également une augmentation de la température à laquelle le moteur peut fonctionner, ce qui entraînera une augmentation du rendement. ^[10] Bien que les CMC soient des matériaux structuraux prometteurs, leurs applications sont limitées en raison du manque de matériaux de renforcement appropriés, des difficultés de traitement, de la durée de vie et du coût.

Fibres de soie d’araignée

La soie d’araignée est un autre matériau prometteur pour l’utilisation de matériaux composites. La soie d’araignée présente une ductilité élevée, permettant l’étirement d’une fibre jusqu’à 140% de sa longueur normale. ^[11] La soie d’araignée conserve également sa résistance à des températures aussi basses que -40 ° C.^[11] Ces propriétés rendent la soie d’araignée idéale pour une utilisation comme matériau fibreux dans la production de matériaux composites ductiles qui conserveront leur résistance même à des températures anormales. Les matériaux composites ductiles seront bénéfiques pour un avion dans des pièces qui seront soumises à des contraintes variables, telles que l’assemblage d’une aile avec le fuselage principal. La résistance, la ténacité et la ductilité accrues d’un tel composite permettront d’appliquer des contraintes plus importantes à la pièce ou à l’assemblage avant qu’une défaillance catastrophique ne se produise. Les composites synthétiques à base de soie d’araignée auront également l’avantage que leurs fibres seront biodégradables.

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