Ποια είναι η μέση πυκνότητα των υλικών που χρησιμοποιούνται σε ένα σύγχρονο αεροσκάφος; Όποια και αν είναι, η μείωση της μέσης πυκνότητας ήταν τεράστια από το Ράιτ Αδελφοί πέταξε το πρώτο πρακτικό αεροπλάνο. Η προσπάθεια μείωσης του βάρους στα αεροπλάνα είναι επιθετική και συνεχής και επιταχύνεται με ταχεία άνοδο των τιμών των καυσίμων. Αυτή η κίνηση μειώνει το ειδικό κόστος καυσίμου, βελτιώνει την εξίσωση εύρους / ωφέλιμου φορτίου και βοηθά το περιβάλλον. Τα σύνθετα παίζουν σημαντικό ρόλο στα σύγχρονα αεροπλάνα και το Boeing Dreamliner δεν αποτελεί εξαίρεση στη διατήρηση της τάσης μείωσης του βάρους.
Σύνθετα και μείωση βάρους
Το Douglas DC3 (που χρονολογείται από το 1936) είχε βάρος απογείωσης περίπου 25.200 λιρών με συμπλήρωμα επιβατών περίπου 25. Με μέγιστο εύρος ωφέλιμου φορτίου 350 μιλίων, δηλαδή περίπου 3 κιλά ανά μίλι επιβατών. Το Boeing Dreamliner έχει βάρος απογείωσης 550.000 κιλών που μεταφέρει 290 επιβάτες. Με ένα πλήρες φορτίο άνω των 8.000 μιλίων, αυτό είναι περίπου ¼ λίβρα ανά μίλι επιβατών - 1100% καλύτερο!
Οι αεριωθούμενοι κινητήρες, ο καλύτερος σχεδιασμός, η τεχνολογία εξοικονόμησης βάρους όπως το fly by wire - όλα έχουν συμβάλει στο κβαντικό άλμα - αλλά σύνθετα υλικά είχα τεράστιο ρόλο να παίξω. Χρησιμοποιούνται στο πλαίσιο του Dreamliner, στους κινητήρες και σε πολλά άλλα εξαρτήματα.
Χρήση Composites στο Dreamliner Airframe
Το Dreamliner έχει ένα πλαίσιο που αποτελείται σχεδόν από 50% ίνα άνθρακα ενισχυμένο πλαστικό και άλλα σύνθετα υλικά. Αυτή η προσέγγιση προσφέρει εξοικονόμηση βάρους κατά μέσο όρο 20% σε σύγκριση με τις πιο συμβατικές (και ξεπερασμένες) αλουμίνιο σχέδια.
Τα σύνθετα υλικά στο πλαίσιο έχουν επίσης πλεονεκτήματα συντήρησης. Μια συνήθως επισκευασμένη επισκευή μπορεί να απαιτεί 24 ή περισσότερες ώρες διακοπής λειτουργίας του αεροπλάνου, αλλά η Boeing έχει αναπτύξει μια νέα γραμμή ικανότητας επισκευής συντήρησης που απαιτεί λιγότερο από μία ώρα για να εφαρμοστεί. Αυτή η ταχεία τεχνική προσφέρει τη δυνατότητα προσωρινών επισκευών και γρήγορης ανάκαμψης, ενώ τέτοιες μικρές ζημιές ενδέχεται να είχαν προσγειώσει ένα αεροπλάνο αλουμινίου. Αυτή είναι μια ενδιαφέρουσα προοπτική.
Η άτρακτο κατασκευάζεται σε σωληνοειδή τμήματα τα οποία στη συνέχεια ενώνονται κατά την τελική συναρμολόγηση. Η χρήση σύνθετων υλών λέγεται ότι σώζει 50.000 πριτσίνια ανά αεροπλάνο. Κάθε τοποθεσία rivet θα απαιτούσε έλεγχο συντήρησης ως πιθανή τοποθεσία αστοχίας. Και αυτό είναι μόνο πριτσίνια!
Σύνθετα μηχανήματα
Το Dreamliner διαθέτει επιλογές κινητήρα GE (GEnx-1B) και Rolls Royce (Trent 1000) και και τα δύο χρησιμοποιούν εκτενώς σύνθετα υλικά. Τα nacelles (είσοδος και κάλυμμα ανεμιστήρα) είναι προφανής υποψήφιος για σύνθετα υλικά. Ωστόσο, τα σύνθετα χρησιμοποιούνται ακόμη και στα πτερύγια των κινητήρων GE. Η τεχνολογία blade έχει προχωρήσει πολύ από τις ημέρες του Rolls-Royce RB211. Η πρώιμη τεχνολογία χρεοκόπησε την εταιρεία το 1971 όταν οι λεπίδες ανεμιστήρων από ίνες άνθρακα Hyfil απέτυχαν σε δοκιμές απεργίας πουλιών.
Η General Electric ηγείται της τεχνολογίας με σύνθετη τεχνολογία λεπίδας ανεμιστήρα από τιτάνιο από το 1995. Στο εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας του Dreamliner, τα σύνθετα χρησιμοποιούνται για τα πρώτα 5 στάδια του στροβίλου χαμηλής πίεσης 7 σταδίων.
Περισσότερα για λιγότερο βάρος
Τι γίνεται με μερικούς αριθμούς; Η ελαφριά θήκη συγκράτησης ανεμιστήρα της μονάδας παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος της GE μειώνει το βάρος του αεροσκάφους κατά 1200 λίβρες (περισσότερο από ½ τόνο). Η θήκη είναι ενισχυμένη με πλεξούδα από ανθρακονήματα. Αυτό είναι μόνο η εξοικονόμηση βάρους της θήκης του ανεμιστήρα και είναι ένας σημαντικός δείκτης των πλεονεκτημάτων αντοχής / βάρους των σύνθετων. Αυτό συμβαίνει επειδή μια θήκη ανεμιστήρα πρέπει να περιέχει όλα τα συντρίμμια σε περίπτωση βλάβης του ανεμιστήρα. Εάν δεν περιέχει τα συντρίμμια, ο κινητήρας δεν μπορεί να πιστοποιηθεί για πτήση.
Το βάρος που εξοικονομείται σε λεπίδες στροβίλου εξοικονομεί επίσης βάρος στην απαιτούμενη θήκη συγκράτησης και ρότορες. Αυτό πολλαπλασιάζει την εξοικονόμηση και τη βελτίωση του λόγου ισχύος / βάρους.
Συνολικά, κάθε Dreamliner περιέχει περίπου 70.000 λίβρες (33 τόνους) πλαστικού ενισχυμένου με ίνες άνθρακα - εκ των οποίων περίπου 45.000 (20 τόνοι) λίβρες είναι ανθρακονήματα.
συμπέρασμα
Τα πρώιμα προβλήματα σχεδιασμού και παραγωγής της χρήσης σύνθετων υλικών σε αεροπλάνα έχουν πλέον ξεπεραστεί. Το Dreamliner βρίσκεται στην κορυφή της απόδοσης καυσίμου του αεροπλάνου, ελαχιστοποιημένων περιβαλλοντικών επιπτώσεων και ασφάλειας. Με μειωμένο αριθμό στοιχείων, χαμηλότερα επίπεδα ελέγχου συντήρησης και μεγαλύτερο χρόνο λειτουργίας, το κόστος υποστήριξης μειώνεται σημαντικά για τους αερομεταφορείς.
Από τις λεπίδες ανεμιστήρων έως την άτρακτο, τα φτερά έως τα τουαλέτα, η απόδοση του Dreamliner θα ήταν αδύνατη χωρίς προηγμένα σύνθετα υλικά.