Compozite în industria aeronautică

This page is an automatic translation to Romanian of Composites in the Aircraft Industry.This translation is distributed in the hope that it will be useful, but without any guarantee of accuracy.Read more...

Aceasta este o pagină cu subiecte . Accentul Appropedia este pe cercetarea originală , dar această pagină oferă context util și ajută la navigarea pe site. Puteți ajuta Appropedia îmbunătățind această pagină .Citeşte mai mult...

Utilizarea diferitelor materiale în Boeing 787 Dreamliner. ^[1]

Materialele compozite ^W sunt utilizate pe scară largă în industria aeronautică și le-au permis inginerilor să depășească obstacolele care au fost întâlnite atunci când folosesc materialele individual. Materialele constitutive își păstrează identitatea în compozite și nu se dizolvă și nici nu se contopesc complet unele în altele. Împreună, materialele creează un material „hibrid” care are proprietăți structurale îmbunătățite.

Dezvoltarea materialelor compozite ușoare și rezistente la temperaturi înalte va permite materializarea următoarei generații de proiecte de aeronave economice și de înaltă performanță. Utilizarea unor astfel de materiale va reduce consumul de combustibil, va îmbunătăți eficiența și va reduce costurile directe de operare ale aeronavelor.

Materialele compozite pot fi formate în diferite forme și, dacă se dorește, fibrele pot fi înfășurate strâns pentru a crește rezistența. O caracteristică utilă a compozitelor este că acestea pot fi stratificate, fibrele din fiecare strat mergând într-o direcție diferită. Acest lucru permite unui inginer să proiecteze structuri cu proprietăți unice. De exemplu, o structură poate fi proiectată astfel încât să se îndoaie într-o direcție, dar nu în alta. ^[2]

Sinteza compozitelor de bază

Exemplu de material compozit de bază.

Într-un compozit de bază, un material acționează ca o matrice de susținere, în timp ce un alt material se construiește pe această schelă de bază și întărește întregul material. Formarea materialului poate fi un proces costisitor și complex. În esență, o matrice de material de bază este așezată într-o matriță la temperatură și presiune ridicată. Un epoxidic sau o rășină este apoi turnată peste materialul de bază, creând un material puternic atunci când materialul compozit este răcit. Compozitul poate fi produs și prin încorporarea fibrelor dintr-un material secundar în matricea de bază.

Compozitele au o bună rezistență la tracțiune și rezistență la compresiune, făcându-le potrivite pentru utilizarea în fabricarea pieselor de aeronave. Rezistența la tracțiune a materialului provine din natura sa fibroasă. Când se aplică o forță de tracțiune, fibrele din compozit se aliniază cu direcția forței aplicate, dându-i rezistența la tracțiune. Rezistența bună la compresiune poate fi atribuită proprietăților de adeziv și rigiditate ale sistemului de matrice de bază. Este rolul rășinii de a menține fibrele ca niște coloane drepte și de a preveni flambajul acestora.

Aviație și compozite

Materialele compozite sunt importante pentru industria aviației, deoarece oferă o rezistență structurală comparabilă cu aliajele metalice, dar la o greutate mai mică. Acest lucru duce la îmbunătățirea eficienței combustibilului și a performanței unei aeronave. ^{[3] [4]}

Rolul compozitelor în industria aviației

Utilizarea diferitelor materiale în Boeing 787 Dreamliner. ^[1]

Fibra de sticlă este cel mai comun material compozit și constă din fibre de sticlă încorporate într-o matrice de rășină. Fibra de sticlă a fost folosită pentru prima dată pe scară largă în anii 1950 pentru bărci și automobile. Fibra de sticlă a fost folosită pentru prima dată în avionul de pasageri Boeing 707 în anii 1950, unde cuprindea aproximativ două procente din structură. Fiecare generație de aeronave noi construite de Boeing a avut un procent crescut de utilizare a materialului compozit; cea mai mare fiind utilizarea de 50% compozit în 787 Dreamliner .

Boeing 787 Dreamliner va fi primul avion comercial în care elementele structurale majore sunt realizate mai degrabă din materiale compozite decât din aliaje de aluminiu. ^[1] Va exista o trecere de la compozitele arhaice din fibră de sticlă la laminate de carbon mai avansate și compozite sandwich de carbon în această aeronavă. Au fost întâmpinate probleme cu cutia de aripi a lui Dreamliner, care au fost atribuite rigidității insuficiente a materialelor compozite utilizate pentru construirea piesei. ^[1] Acest lucru a dus la întârzieri în datele inițiale de livrare a aeronavei. Pentru a rezolva aceste probleme, Boeing întărește cutiile de aripi prin adăugarea de noi console la cutiile de aripi deja construite, modificând în același timp cutiile de aripi care nu au fost încă construite. ^[1]

Testarea materialelor compozite

S-a găsit dificil să se modeleze cu precizie performanța unei piese din compozit prin simulare pe computer, din cauza naturii complexe a materialului. Compozitele sunt adesea stratificate unul peste altul pentru o rezistență suplimentară, dar acest lucru complică faza de testare înainte de fabricație, deoarece straturile sunt orientate în direcții diferite, ceea ce face dificilă prezicerea modului în care se vor comporta atunci când sunt testate. ^[1]

Pe piesele pot fi efectuate si teste mecanice de stres. Aceste teste încep cu modele la scară mică, apoi trec la părți din ce în ce mai mari ale structurii și, în final, la structura completă. Părțile structurale sunt introduse în mașini hidraulice care le îndoaie și le răsucesc pentru a imita solicitările care depășesc cu mult condițiile cele mai proaste așteptate în zborurile reale.

Factorii de utilizare a materialului compozit

Reducerea greutății este cel mai mare avantaj al utilizării materialului compozit și este unul dintre factorii cheie în deciziile privind selecția acestuia. Alte avantaje includ rezistența sa mare la coroziune și rezistența la deteriorarea datorată oboselii. Acești factori joacă un rol în reducerea costurilor de operare ale aeronavei pe termen lung, îmbunătățind și mai mult eficiența acesteia. Compozitele au avantajul că pot fi formate în aproape orice formă folosind procesul de turnare, dar acest lucru agravează problema deja dificilă de modelare.

Un dezavantaj major al utilizării compozitelor este că acestea sunt un material relativ nou și, ca atare, au un cost ridicat. Costul ridicat este, de asemenea, atribuit procesului de fabricație care necesită forță de muncă și adesea complex. Compozitele sunt greu de inspectat pentru defecte, în timp ce unele dintre ele absorb umiditatea.

Chiar dacă este mai greu, aluminiul, prin contrast, este ușor de fabricat și reparat. Poate fi înțepat sau perforat și încă se ține împreună. Compozitele nu sunt așa; dacă sunt deteriorate, necesită reparații imediate, ceea ce este dificil și costisitor.

Economii de combustibil cu greutate redusă

Consumul de combustibil depinde de mai multe variabile, printre care: greutatea aeronavei uscate, greutatea încărcăturii utile, vârsta aeronavei, calitatea combustibilului, viteza aerului, vremea, printre altele. Greutatea componentelor aeronavei din materiale compozite este redusă cu aproximativ 20%, ca în cazul lui 787 Dreamliner. ^[4]

Un exemplu de calcul al economiilor totale de combustibil cu o reducere de 20% a greutății goale va fi făcut mai jos pentru o aeronavă Airbus A340-300.

Valorile inițiale ale eșantionului pentru acest studiu de caz au fost obținute dintr-o sursă externă. ^[5]

Dat:

• Greutate goală de funcționare (OEW): 129.300 kg
• Greutate maximă de combustibil zero (MZFW): 178.000 kg
• Greutate maximă la decolare (MTOW): 275.000 kg
• Max. Interval @ Max. Greutate: 10.458 km

Alte cantități pot fi calculate din cifrele de mai sus:

• Greutatea maximă a încărcăturii = MZFW - OEW = 48.700 kg
• Greutatea maximă a combustibilului = MTOW - MZFW = 97.000 kg

Deci, putem calcula în continuare consumul de combustibil în kg/km pe baza greutății maxime a combustibilului și a intervalului maxim = 97.000 kg/10.458 km = 9,275 kg/km

Următorul este calculul pentru economiile anticipate de combustibil cu o reducere a greutății cu 20%, care va reduce doar valoarea OEW cu 20%:

• OEW(nou) = 129.300 kg * 0,8 = 103.440 kg, ceea ce echivalează cu o economie de greutate de 25.860 kg.

Presupunând că greutatea încărcăturii și a combustibilului rămân constante:

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

Masa de combustibil de 97.000 kg are un MTOW redus și, astfel, va avea o autonomie crescută, deoarece greutatea maximă și autonomia maximă sunt cantități invers proporționale.

Folosind rapoarte simple pentru a calcula noul interval:

249,320kg275,000kg=10,458kmXkm{\displaystyle {\frac {249.320kg}{275.000kg}}={\frac {10.458km}{Xkm}}}

Rezolvarea pentru X oferă o nouă gamă de:

• X = 11.535,18km

Aceasta oferă o nouă valoare pentru consumul de combustibil cu greutate redusă = 97.000 kg/11.535,18 km = 8,409 kg/km

Pentru a pune acest lucru în perspectivă, pe o călătorie de 10.000 km , se va economisi aproximativ 8.660 kg de combustibil , cu o reducere cu 20% a greutății goale.

Impact asupra mediului

Este posibilă reciclarea pieselor de la aeronavele scoase din funcțiune. ^[6]

Există o schimbare care se dezvoltă mai proeminent către Ingineria Verde . Mediul nostru i se acordă o gândire și o atenție sporită de către societatea actuală. Acest lucru este valabil și pentru fabricarea materialului compozit.

După cum sa menționat anterior, compozitele au o greutate mai ușoară și valori de rezistență similare cu materialele mai grele. Atunci când compozitul mai ușor este transportat sau este utilizat într-o aplicație de transport, există o sarcină de mediu mai mică în comparație cu alternativele mai grele. Compozitele sunt, de asemenea, mai rezistente la coroziune decât materialele pe bază de metal, ceea ce înseamnă că piesele vor dura mai mult. ^[7] Acești factori se combină pentru a face din compozite materiale alternative bune din perspectiva mediului.

Materialele compozite produse în mod convențional sunt fabricate din fibre și rășini pe bază de petrol și nu sunt biodegradabile prin natura lor. ^[8] Acest lucru prezintă o problemă semnificativă, deoarece majoritatea compozitelor ajung într-o groapă de gunoi odată ce ciclul de viață al unui compozit se încheie. ^[8] Există cercetări semnificative în curs de desfășurare a compozitelor biodegradabile care sunt fabricate din fibre naturale. ^[9] Descoperirea materialelor compozite biodegradabile care pot fi ușor fabricate la scară largă și au proprietăți similare compozitelor convenționale va revoluționa mai multe industrii, inclusiv industria aviației.

O opțiune alternativă pentru a sprijini eforturile de mediu ar fi reciclarea pieselor uzate de la aeronavele scoase din funcțiune. „Deconcepția” unei aeronave este un proces complex și costisitor, dar poate economisi bani companiilor din cauza costului ridicat al achiziționării de piese de primă mână. ^[6]

Viitoarele materiale compozite

Compozite cu matrice ceramică

Sunt în curs de desfășurare eforturi majore pentru a dezvolta materiale compozite ușoare și la temperatură înaltă la Administrația Națională de Aeronautică și Spațiu (NASA) pentru a fi utilizate în piesele de aeronave. Temperaturi de până la 1650°C sunt anticipate pentru intrările turbinei unui motor conceptual bazat pe calcule preliminare. ^[3] Pentru ca materialele să reziste la astfel de temperaturi, este necesară utilizarea compozitelor cu matrice ceramică (CMC). Utilizarea CMC-urilor în motoarele avansate va permite, de asemenea, o creștere a temperaturii la care motorul poate fi funcționat, ducând la creșterea randamentului. ^[10] Deși CMC-urile sunt materiale structurale promițătoare, aplicațiile lor sunt limitate din cauza lipsei de materiale de armare adecvate, a dificultăților de procesare, a duratei de viață și a costurilor.

Fibre de mătase de păianjen

Oamenii de știință nu au reușit până acum să resintetizeze perfect mătasea de păianjen.

Mătasea de păianjen este un alt material promițător pentru utilizarea materialului compozit. Mătasea de păianjen prezintă o ductilitate ridicată, permițând întinderea unei fibre până la 140% din lungimea sa normală. ^[11] Mătasea de păianjen își păstrează rezistența și la temperaturi de până la -40°C. ^[11] Aceste proprietăți fac din mătasea de păianjen ideală pentru utilizare ca material fibros în producția de materiale compozite ductile care își vor păstra rezistența chiar și la temperaturi anormale. Materialele compozite ductile vor fi benefice pentru o aeronavă în părțile care vor fi supuse unor solicitări variabile, cum ar fi îmbinarea unei aripi cu fuzelajul principal. Rezistența, tenacitatea și ductilitatea crescute ale unui astfel de compozit vor permite aplicarea unor tensiuni mai mari piesei sau îmbinării înainte de apariția unei defecțiuni catastrofale. Compozitele sintetice pe bază de mătase de păianjen vor avea, de asemenea, avantajul că fibrele lor vor fi biodegradabile.

Au fost făcute multe încercări nereușite de a reproduce mătasea de păianjen într-un laborator, dar resinteza perfectă nu a fost încă realizată. ^[12]

Table de oțel compozit hibrid

Un alt material promițător poate fi oțelul inoxidabil construit cu inspirație din compozite și fibre nanotehnice și placaj. Foile de oțel sunt fabricate din același material și sunt capabile să manipuleze și să lucreze exact în același mod ca oțelul convențional. Dar este ceva la sută mai ușor pentru aceleași puncte forte. Acest lucru este deosebit de valoros pentru fabricarea vehiculelor. În curs de brevet, compania suedeză Lamera este o spin-off din cercetarea din cadrul Volvo Industries.

Concluzie

Datorită raporturilor lor mai mari rezistență-greutate, materialele compozite au un avantaj față de materialele metalice convenționale; deși, în prezent, fabricarea compozitelor este costisitoare. Până când nu se vor introduce tehnici pentru a reduce costurile inițiale de implementare și pentru a aborda problema non-biodegradabilității compozitelor actuale, acest material relativ nou nu va putea înlocui complet aliajele metalice tradiționale.

Referințe