Použitie rôznych materiálov v Boeingu 787 Dreamliner. [1]

Kompozitné materiály W sú široko používané v leteckom priemysle a umožnili inžinierom prekonať prekážky, s ktorými sa stretli pri individuálnom použití materiálov. Materiály, z ktorých pozostáva, si zachovávajú svoju identitu v kompozitoch a nerozpúšťajú sa ani inak úplne navzájom nesplývajú. Spoločne tieto materiály vytvárajú „hybridný“ materiál, ktorý má zlepšené štrukturálne vlastnosti.

Vývoj ľahkých kompozitných materiálov odolných voči vysokým teplotám umožní realizáciu novej generácie vysokovýkonných a ekonomických návrhov lietadiel. Použitie takýchto materiálov zníži spotrebu paliva, zlepší efektivitu a zníži priame prevádzkové náklady lietadiel.

Kompozitné materiály môžu byť tvarované do rôznych tvarov a ak je to potrebné, vlákna môžu byť navinuté tesne, aby sa zvýšila pevnosť. Užitočnou vlastnosťou kompozitov je, že sa dajú vrstviť, pričom vlákna v každej vrstve prebiehajú iným smerom. To umožňuje inžinierom navrhovať štruktúry s jedinečnými vlastnosťami. Napríklad konštrukcia môže byť navrhnutá tak, že sa bude ohýbať jedným smerom, ale nie iným. [2]

Syntéza základných kompozitov

Príklad základného kompozitného materiálu.

V základnom kompozite pôsobí jeden materiál ako nosná matrica, zatiaľ čo iný materiál stavia na tomto základnom lešení a spevňuje celý materiál. Tvorba materiálu môže byť nákladný a zložitý proces. V podstate je základný materiál matrice uložený vo forme pod vysokou teplotou a tlakom. Na základný materiál sa potom naleje epoxid alebo živica , čím sa po ochladení kompozitného materiálu vytvorí pevný materiál. Kompozit môže byť tiež vyrobený zapustením vlákien sekundárneho materiálu do základnej matrice.

Kompozity majú dobrú pevnosť v ťahu a odolnosť voči stlačeniu, vďaka čomu sú vhodné na použitie pri výrobe častí lietadiel. Pevnosť v ťahu materiálu pochádza z jeho vláknitej povahy. Keď sa aplikuje ťahová sila, vlákna v kompozite sa zoradia so smerom aplikovanej sily, čím sa získa pevnosť v ťahu. Dobrá odolnosť proti stlačeniu môže byť pripísaná adhéznym vlastnostiam a tuhosti systému základnej matrice. Úlohou živice je udržiavať vlákna ako rovné stĺpiky a zabrániť ich vybočeniu.

Kompozitné materiály sú dôležité pre letecký priemysel, pretože poskytujú konštrukčnú pevnosť porovnateľnú s kovovými zliatinami, ale pri nižšej hmotnosti. To vedie k zlepšeniu palivovej účinnosti a výkonu lietadla. [3] [4]

Úloha kompozitov v leteckom priemysle

Použitie rôznych materiálov v Boeingu 787 Dreamliner. [1]

Sklolaminát je najbežnejším kompozitným materiálom a pozostáva zo sklenených vlákien uložených v živicovej matrici. Sklolaminát bol prvýkrát široko používaný v 50-tych rokoch minulého storočia pre lode a automobily. Sklolaminát bol prvýkrát použitý v osobnom lietadle Boeing 707 v 50. rokoch minulého storočia, kde tvorilo asi dve percentá konštrukcie. Každá generácia nových lietadiel vyrobených Boeingom mala zvýšené percento použitia kompozitného materiálu; najvyššie je 50% využitie kompozitu v modeli 787 Dreamliner .

Boeing 787 Dreamliner bude prvým komerčným lietadlom, v ktorom sú hlavné konštrukčné prvky vyrobené z kompozitných materiálov a nie z hliníkových zliatin. [1] V tomto lietadle dôjde k posunu od archaických kompozitov zo sklenených vlákien k pokročilejším uhlíkovým laminátom a uhlíkovým sendvičovým kompozitom. Problémy sa vyskytli s krídlovou skriňou Dreamlinera, ktoré sa pripisovali nedostatočnej tuhosti kompozitných materiálov použitých na výrobu dielu. [1] To viedlo k oneskoreniu počiatočných dátumov dodania lietadla. Aby sa tieto problémy vyriešili, Boeing spevňuje krídlové skrine pridaním nových držiakov k už vyrobeným krídlovým skriniam a zároveň upravuje krídlové skrine, ktoré sa ešte len majú postaviť. [1]

Testovanie kompozitných materiálov

Zistilo sa, že je ťažké presne modelovať výkon dielu vyrobeného z kompozitu počítačovou simuláciou kvôli komplexnej povahe materiálu. Kompozity sa často vrstvia na seba kvôli zvýšenej pevnosti, čo však komplikuje fázu testovania pred výrobou, pretože vrstvy sú orientované rôznymi smermi, čo sťažuje predpovedanie, ako sa budú správať pri testovaní. [1]

Na dieloch je možné vykonať aj mechanické záťažové testy. Tieto testy začínajú modelmi v malom meradle, potom pokračujú k postupne väčším častiam konštrukcie a nakoniec k úplnej štruktúre. Konštrukčné časti sú vložené do hydraulických strojov, ktoré ich ohýbajú a krútia tak, aby napodobňovali namáhanie, ktoré ďaleko presahuje najhoršie očakávané podmienky pri reálnych letoch.

Faktory použitia kompozitného materiálu

Zníženie hmotnosti je najväčšou výhodou použitia kompozitného materiálu a je jedným z kľúčových faktorov pri rozhodovaní o jeho výbere. Medzi ďalšie výhody patrí vysoká odolnosť proti korózii a odolnosť proti poškodeniu únavou. Tieto faktory zohrávajú úlohu pri znižovaní prevádzkových nákladov lietadla v dlhodobom horizonte, čím sa ďalej zvyšuje jeho účinnosť. Kompozity majú tú výhodu, že sa dajú formovať do takmer akéhokoľvek tvaru pomocou lisovacieho procesu, ale to ešte zhoršuje už aj tak náročný problém modelovania.

Hlavnou nevýhodou použitia kompozitov je, že sú relatívne novým materiálom a ako také majú vysoké náklady. Vysoké náklady sa tiež pripisujú náročnému a často zložitému výrobnému procesu. Kompozity sa ťažko kontrolujú na chyby, zatiaľ čo niektoré z nich absorbujú vlhkosť.

Aj keď je ťažší, hliník sa naopak ľahko vyrába a opravuje. Môže byť preliačený alebo prepichnutý a stále drží pohromade. Kompozity nie sú takéto; ak sú poškodené, vyžadujú okamžitú opravu, ktorá je náročná a drahá.

Úspora paliva so zníženou hmotnosťou

Fuel consumption depends on several variables, including: dry aircraft weight, payload weight, age of aircraft, quality of fuel, air speed, weather, among other things. The weight of aircraft components made of composite materials are reduced by approximately 20%, such as in the case of the 787 Dreamliner.[4]

A sample calculation of total fuel savings with a 20% empty weight reduction will be done below for an Airbus A340-300 aircraft.

Initial sample values for this case study were obtained from an external source.[5]

Given:

  • Operating Empty Weight (OEW): 129,300kg
  • Maximum Zero Fuel Weight (MZFW): 178,000kg
  • Maximum Take-Off Weight (MTOW): 275,000kg
  • Max. Range @ Max. Weight: 10,458km

Other quantities can be calculated from the above given figures:

  • Maximum Cargo Weight = MZFW - OEW = 48,700kg
  • Maximum Fuel Weight = MTOW - MZFW = 97,000kg

So, we can further calculate the fuel consumption in kg/km based on maximum fuel weight and maximum range = 97,000kg/10,458km = 9.275kg/km

Following is the calculation for anticipated fuel savings with a 20% weight reduction, which will only reduce the OEW value by 20%:

  • OEW(new) = 129,300kg * 0.8 = 103,440kg, which equates to a 25,860kg weight saving.

Assuming that cargo and fuel weight remain constant:

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

The 97,000kg mass of fuel has a reduced MTOW to deal with, and thus will have increased range because maximum weight and maximum range are inversely proportional quantities.

Using simples ratios to calculate the new range:

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

Solving for X gives a new range of:

  • X = 11,535.18km

This gives a new value for fuel consumption with reduced weight = 97,000kg/11,535.18km = 8.409kg/km

To put this in perspective, over a 10,000km journey, there will be an approximate fuel saving of 8,660kg with a 20% reduction of empty weight.

Environmental impact

Recycling of parts from decommissioned aircrafts is possible.[6]

There is a shift developing more prominently towards Green Engineering. Our environment is given increased thought and attention by today's society. This is true for composite material manufacture as well.

As mentioned previously, composites have a lighter weight and similar strength values as heavier materials. When the lighter composite is transported, or is used in a transport application, there is a lower environmental load compared to the heavier alternatives. Composites are also more corrosion-resistant than metallic based materials, which means that parts will last longer.[7] These factors combine to make composites good alternate materials from an environmental perspective.

Conventionally produced composite materials are made from petroleum based fibres and resins, and are non-biodegradable by nature.[8] This presents a significant problem as most composites end up in a landfill once the life cycle of a composite comes to an end.[8] There is significant research being conducted in biodegradable composites which are made from natural fibres.[9] The discovery of biodegradable composite materials that can be easily manufactured on a large-scale and have properties similar to conventional composites will revolutionize several industries, including the aviation industry.

An alternative option to aid environmental efforts would be to recycle used parts from decommissioned aircraft. The 'unengineering' of an aircraft is a complex and expensive process, but may save companies money due to the high cost of purchasing first-hand parts.[6]

Future composite materials

Ceramic matrix composites

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

  1. Перейти обратно: 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Surface Modelling for Composite Materials - SIAG GD - Retrieved at http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
  2. A to Z of Materials - Composites: A Basic Introduction - Retrieved at http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
  3. Перейти обратно: 3.0 3.1 INI International - Key to Metals - Retrieved at http://www.keytometals.com/Article103.htm
  4. Перейти обратно: 4.0 4.1 Boeing's 787 Dreamliner Has a Composite Problem - Zimbio - Retrieved at http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/Boeing+787+Dreamliner+composite+problem
  5. Peeters, P.M. et al. - Fuel efficiency of commercial aircraft (pg. 16) - Retrieved at http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
  6. Перейти обратно: 6.0 6.1 National Geographic Channel - Man Made: Plane - Retrieved from http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
  7. A study of the environmental impact of composites - Retrieved at http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
  8. Перейти обратно: 8.0 8.1 Textile Insight - Green Textile Composites - Retrieved at http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
  9. A to Z of Materials - High Performance Composite Materials Produced from Biodegradable Natural Fibre Reinforced Plastics - Retrieved at http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
  10. R. Naslain - Universite Bordeaux - Ceramic Matrix Composites - Retrieved at http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
  11. Перейти обратно: 11.0 11.1 Department of Chemistry - University of Bristol - Retrieved at http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
  12. Wired Science - Spiders Make Golden Silk - Retrieved at http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
Page data
Part ofMECH370
Keywordsaircraft, materials, materials processing
AuthorsB.S.Kukreja, Johan Löfström
Published2009
LicenseCC-BY-SA-4.0
AffiliationsQueen's University
DerivativesKompozity v leteckom priemysle , Kompozity v leteckom priemysle , Compositi nell'industria aeronautica , Kompozity v leteckom priemysle , Verbundwerkstoffe in der Flugzeugindustrie
VplyvNumber of views to this page and its redirects. Updated once a month. Views by admins and bots are not counted. Multiple views during the same session are counted as one.123,499
Cookies help us deliver our services. By using our services, you agree to our use of cookies.