Composites in the Aircraft Industry/ru
Композитные материалы нашли применение в авиационной промышленности и позволили инженерам преодолеть трудности, с которыми они сталкивались при использовании материалов по отдельности. Составляющие их материалы сохраняют свои свойства в композитах, не растворяясь и не смешивая их полностью. Вместе эти материалы образуют «гибридный» материал с улучшенными структурными свойствами.
Разработка лёгких, термостойких композитных материалов позволит создать новое поколение высокопроизводительных и экономичных самолётов. Использование таких материалов позволит снизить расход топлива, повысить эффективность и сократить прямые эксплуатационные расходы самолётов.
Композитным материалам можно придавать различную форму, и при необходимости волокна можно плотно скручивать для повышения прочности. Полезной особенностью композитов является возможность их многослойной укладки, при этом волокна в каждом слое расположены в разных направлениях. Это позволяет инженерам проектировать конструкции с уникальными свойствами. Например, конструкцию можно спроектировать так, чтобы она изгибалась в одном направлении, но не изгибалась в другом. [ 2 ]
Синтез основных композитов
В базовом композите один материал служит несущей матрицей, а другой – надстраивает эту основу, армируя весь материал. Формование материала может быть дорогостоящим и сложным процессом. По сути, матрица базового материала выкладывается в форму под высоким давлением и температурой. Затем поверх неё заливается эпоксидная смола или смола , образуя прочный материал после охлаждения композита. Композит также может быть получен путём внедрения волокон вторичного материала в базовую матрицу.
Композиты обладают хорошей прочностью на разрыв и сопротивлением сжатию, что делает их пригодными для использования в производстве деталей самолетов. Прочность на разрыв материала обусловлена его волокнистой природой. При приложении растягивающей силы волокна композита выстраиваются в направлении, соответствующем направлению силы, что обеспечивает его прочность на разрыв. Высокая прочность на сжатие обусловлена адгезионными свойствами и жесткостью базовой матричной системы. Роль смолы заключается в том, чтобы удерживать волокна в прямолинейном положении и предотвращать их коробление.
Авиация и композиты
Композитные материалы важны для авиационной промышленности, поскольку они обеспечивают прочность конструкции, сравнимую с прочностью металлических сплавов, но при меньших весах. Это приводит к повышению топливной эффективности и улучшению летных характеристик самолета. [ 3 ] [ 4 ]
Роль композитов в авиационной промышленности
Стекловолокно — наиболее распространённый композитный материал, состоящий из стекловолокон, вкрапленных в смоляную матрицу. Стекловолокно впервые широко использовалось в 1950-х годах в строительстве лодок и автомобилей. В том же году стекловолокно впервые было использовано в пассажирском самолёте Boeing 707 , где его доля составляла около двух процентов от общей массы конструкции. В каждом новом поколении самолётов Boeing доля композитных материалов увеличивалась; максимальным показателем стало 50% использование композитных материалов в модели 787 Dreamliner .
Boeing 787 Dreamliner станет первым коммерческим самолетом, в котором основные структурные элементы изготовлены из композитных материалов, а не из алюминиевых сплавов. [ 1 ] В этом самолете произойдет переход от архаичных стекловолоконных композитов к более современным углеродным ламинированным и углеродным сэндвич-композитам. Были обнаружены проблемы с кессоном крыла Dreamliner, которые были связаны с недостаточной жесткостью композитных материалов, используемых для изготовления этой детали. [ 1 ] Это привело к задержкам первоначальных сроков поставки самолета. Чтобы решить эти проблемы, Boeing усиливает кессоны крыла, добавляя новые кронштейны к уже изготовленным кессонам крыла, а также модифицирует кессоны крыла, которые еще предстоит построить. [ 1 ]
Испытание композитных материалов
Точное моделирование характеристик композитных деталей с помощью компьютерного моделирования оказалось затруднительным из-за сложной природы материала. Композиты часто накладываются слоями друг на друга для повышения прочности, но это усложняет этап испытаний перед производством, поскольку слои ориентированы в разных направлениях, что затрудняет прогнозирование их поведения во время испытаний. [ 1 ]
Детали также могут быть подвергнуты механическим испытаниям на прочность. Эти испытания начинаются с небольших моделей, затем переходят к более крупным частям конструкции и, наконец, к полной конструкции. Детали конструкции помещаются в гидравлические машины, которые изгибают и скручивают их, имитируя напряжения, значительно превосходящие наихудшие ожидаемые условия реальных полётов.
Факторы использования композитных материалов
Снижение веса — главное преимущество композитных материалов и один из ключевых факторов при принятии решений о их выборе. К другим преимуществам относятся высокая коррозионная стойкость и устойчивость к усталостным повреждениям. Эти факторы способствуют снижению эксплуатационных расходов самолёта в долгосрочной перспективе, дополнительно повышая его эффективность. Преимущество композитов заключается в том, что им можно придать практически любую форму методом литья, но это усугубляет и без того сложную задачу моделирования.
Основным недостатком использования композитов является их относительно новая разработка и, как следствие, высокая стоимость. Высокая стоимость также обусловлена трудоёмкостью и зачастую сложностью процесса изготовления. Композиты трудно проверить на наличие дефектов, а некоторые из них впитывают влагу.
Алюминий, несмотря на свою большую массу, напротив, легко изготавливать и ремонтировать. Он может быть помят или проколот, но при этом сохранять целостность. С композитами дела обстоят иначе: если они повреждены, требуется немедленный ремонт, который сложен и дорог.
Экономия топлива за счет уменьшения веса
Расход топлива зависит от ряда факторов, включая: сухой вес самолёта, вес полезной нагрузки, возраст самолёта, качество топлива, скорость полёта, погодные условия и другие. Вес компонентов самолёта, изготовленных из композитных материалов, снижается примерно на 20%, как, например, в случае с 787 Dreamliner. [ 4 ]
Ниже будет приведен пример расчета общей экономии топлива при снижении массы пустого самолета на 20% для самолета AirbusA340-300 .
Начальные значения выборки для этого исследования были получены из внешнего источника. [ 5 ]
Данный:
- Эксплуатационная масса пустого самолета (OEW): 129 300 кг
- Максимальный вес без топлива (MZFW): 178 000 кг
- Максимальная взлетная масса (MTOW): 275 000 кг
- Максимальная дальность при максимальном весе: 10 458 км
Другие величины можно рассчитать из приведенных выше цифр:
- Максимальная масса груза = MZFW – OEW = 48 700 кг.
- Максимальный вес топлива = MTOW - MZFW = 97 000 кг
Таким образом, мы можем дополнительно рассчитать расход топлива в кг/км на основе максимального веса топлива и максимального запаса хода = 97 000 кг/10 458 км = 9,275 кг/км.
Ниже приведен расчет ожидаемой экономии топлива при снижении веса на 20%, что приведет к снижению значения OEW только на 20%:
- OEW(новый) = 129 300 кг * 0,8 = 103 440 кг, что соответствует экономии веса 25 860 кг.
Предполагая, что вес груза и топлива остается постоянным:
- MZFW(новый) = MZFW - 25 680 кг = 152 320 кг
- МВМ(новая) = МВМ - 25 680 кг = 249 320 кг
Масса топлива в 97 000 кг позволит снизить максимальный взлетный вес и, следовательно, увеличить дальность полета, поскольку максимальный вес и максимальная дальность являются обратно пропорциональными величинами.
Используя простые соотношения для расчета нового диапазона:
249,320кг275,000кг=10,458кмХкм
Решение относительно X дает новый диапазон:
- X = 11,535.18км
Это дает новое значение расхода топлива при уменьшении массы = 97 000 кг/11 535,18 км = 8,409 кг/км.
Для сравнения, за поездку на 10 000 км экономия топлива составит около 8660 кг , а масса пустого самолета сократится на 20%.
Воздействие на окружающую среду
Наблюдается всё более заметный сдвиг в сторону «зелёной инженерии» . Современное общество уделяет всё больше внимания окружающей среде. Это касается и производства композитных материалов.
Как уже упоминалось, композиты имеют меньший вес и схожие показатели прочности с более тяжёлыми материалами. При транспортировке или использовании лёгких композитов в транспортных средствах нагрузка на окружающую среду ниже, чем у более тяжёлых альтернатив. Композиты также более устойчивы к коррозии, чем материалы на основе металлов, что означает более длительный срок службы деталей. [ 7 ] Сочетание этих факторов делает композиты хорошей альтернативой с экологической точки зрения.
Традиционно производимые композитные материалы изготавливаются из волокон и смол на основе нефти и по своей природе не поддаются биологическому разложению. [ 8 ] Это представляет собой серьезную проблему, поскольку большинство композитов оказываются на свалке по завершении своего жизненного цикла. [ 8 ] Проводятся значительные исследования в области биоразлагаемых композитов, изготовленных из натуральных волокон. [ 9 ] Открытие биоразлагаемых композитных материалов, которые можно легко производить в больших масштабах и которые обладают свойствами, аналогичными свойствам обычных композитов, произведет революцию в нескольких отраслях, включая авиационную промышленность.
Альтернативным вариантом поддержки охраны окружающей среды могла бы стать переработка использованных деталей списанных самолётов. «Разборка» самолёта — сложный и дорогостоящий процесс, но он может сэкономить компаниям деньги благодаря высокой стоимости приобретения деталей из первых рук. [ 6 ]
Будущие композитные материалы
Композиты с керамической матрицей
В настоящее время в Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) ведутся активные работы по разработке легких высокотемпературных композитных материалов для использования в деталях самолетов. Согласно предварительным расчетам, для входных отверстий турбин концептуального двигателя ожидается температура до 1650 °C. [ 3 ] Для того чтобы материалы выдерживали такие температуры, необходимо использовать керамические матричные композиты (КМК). Использование КМК в современных двигателях также позволит повысить температуру, при которой может работать двигатель, что приведет к повышению выхода годных изделий. [ 10 ] Хотя КМК являются перспективными конструкционными материалами, их применение ограничено из-за отсутствия подходящих армирующих материалов, трудностей с обработкой, срока службы и стоимости.
Волокна паучьего шелка
Паучий шелк является еще одним перспективным материалом для использования в композитных материалах. Паучий шелк обладает высокой пластичностью, что позволяет растягивать волокно до 140% от его обычной длины. [ 11 ] Паучий шелк также сохраняет свою прочность при температурах до -40 ° C. [ 11 ] Эти свойства делают паучий шелк идеальным для использования в качестве волокнистого материала в производстве пластичных композитных материалов, которые сохранят свою прочность даже при аномальных температурах. Пластичные композитные материалы будут полезны для самолетов в деталях, которые будут подвергаться переменным нагрузкам, таких как соединение крыла с основным фюзеляжем. Повышенная прочность, ударная вязкость и пластичность такого композита позволят прикладывать большие нагрузки к детали или соединению до того, как произойдет катастрофическое разрушение. Синтетические композиты на основе паучьего шелка также будут иметь то преимущество, что их волокна будут биоразлагаемыми.
Было предпринято много неудачных попыток воспроизвести паучий шелк в лабораторных условиях, но идеального ресинтеза пока достичь не удалось. [ 12 ]
Гибридные композитные стальные листы
Другим перспективным материалом может стать нержавеющая сталь, созданная на основе композитов, нанотехнологичных волокон и фанеры. Листы стали изготовлены из того же материала и поддаются обработке и инструментальной обработке так же, как обычная сталь. При этом они на несколько процентов легче при той же прочности. Это особенно ценно для автомобилестроения. Шведская компания Lamera, ожидающая патента, является ответвлением исследовательской компании Volvo Industries.
Заключение
Благодаря более высокому соотношению прочности к массе композитные материалы имеют преимущество перед традиционными металлическими материалами, хотя в настоящее время производство композитов обходится дорого. Пока не будут внедрены технологии, снижающие первоначальные затраты на производство и решающие проблему биоразлагаемости существующих композитов, этот относительно новый материал не сможет полностью заменить традиционные металлические сплавы.
Ссылки
- ↑Перейти к:1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Моделирование поверхности для композитных материалов — SIAG GD — Доступно по адресу http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
- ↑ Материалы от А до Я — Композиты: Базовое введение — Источник: http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
- ↑Перейти к:3.0 3.1 INI International — Ключ к металлам — Доступно по адресу http://www.keytometals.com/Article103.htm
- ↑Перейти к:4.0 4.1 У Boeing 787 Dreamliner возникла проблема с композитными материалами - Zimbio - Источник: http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/Boeing+787+Dreamliner+composite+problem
- ↑ Питерс, П. М. и др. — Топливная эффективность коммерческих самолетов (стр. 16) — Источник: http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
- ↑Перейти к:6.0 6.1 National Geographic Channel — Сделано человеком: Самолет — Получено с сайта http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
- ↑ Исследование воздействия композитов на окружающую среду. Источник: http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
- ↑Перейти к:8.0 8.1 Textile Insight — Экологичные текстильные композиты — Источник: http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
- ↑ Материалы от А до Я — Высокопроизводительные композитные материалы, произведенные из биоразлагаемых армированных натуральными волокнами пластиков — Доступно по адресу http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
- ↑ Р. Наслейн — Университет Бордо — Композиты с керамической матрицей — Источник: http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
- ↑Перейти к:11.0 11.1 Кафедра химии — Бристольский университет — Доступно по адресу http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
- ↑ Wired Science — Пауки делают золотой шелк — Источник: http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
| Авторы | BSKukreja , Johan Löfström |
|---|---|
| Лицензия | CC-BY-SA-3.0 |
| Организации | Университет Королевы |
| Цитировать как | Б.С.Кукрея , Йохан Лёфстрем (2009–2025). «Композиты в авиастроении» . Аппропедия . Проверено 8 августа 2025 г. |
