Σύνθετα υλικά στην αεροδιαστημική

Το βάρος είναι το παν όταν πρόκειται για βαρύτερα από τον αέρα μηχανήματα, και οι σχεδιαστές έχουν προσπαθήσει συνεχώς να βελτιώσουν τις αναλογίες ανύψωσης προς βάρος από τότε που ο άνθρωπος πήρε για πρώτη φορά στον αέρα. Σύνθετα υλικά έχουν διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στη μείωση του βάρους, και σήμερα υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι χρήσης: ανθρακονήματα, γυαλί και εποξειδικά ενισχυμένα με αραμίδια. υπάρχουν άλλοι, όπως ενισχυμένο με βόριο (το ίδιο ένα σύνθετο που σχηματίζεται σε πυρήνα βολφραμίου).

Από το 1987, η χρήση σύνθετων ουσιών στην αεροδιαστημική διπλασιάζεται κάθε πέντε χρόνια, και τα νέα σύνθετα εμφανίζονται τακτικά.

Τα σύνθετα είναι ευπροσάρμοστα, χρησιμοποιούνται τόσο για δομικές εφαρμογές όσο και για εξαρτήματα, σε όλα τα αεροσκάφη και διαστημικό σκάφος, από γόνδολες και ανεμόπτερα με αερόστατα μέχρι επιβατικά αεροσκάφη, μαχητικά αεροσκάφη και το διάστημα Σαΐτα. Οι εφαρμογές κυμαίνονται από πλήρη αεροπλάνα, όπως το Beech Starship έως συγκροτήματα πτερυγίων, πτερύγια ελικοπτέρου, έλικες, καθίσματα και περιβλήματα οργάνων.

Οι τύποι έχουν διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες και χρησιμοποιούνται σε διαφορετικούς τομείς κατασκευής αεροσκαφών. Οι ίνες άνθρακα, για παράδειγμα, έχουν μοναδική συμπεριφορά κόπωσης και είναι εύθραυστες, όπως ανακάλυψε η Rolls-Royce στη δεκαετία του 1960 όταν ο πρωτοποριακός κινητήρας jet RB211 με λεπίδες συμπιεστή από ανθρακονήματα απέτυχε καταστροφικά λόγω πτηνών απεργίες.

Ενώ μια πτέρυγα αλουμινίου έχει μια γνωστή διάρκεια ζωής κόπωσης μετάλλων, οι ίνες άνθρακα είναι πολύ λιγότερο προβλέψιμες (αλλά βελτιώνεται δραματικά κάθε μέρα), αλλά το βόριο λειτουργεί καλά (όπως στην πτέρυγα του Advanced Tactical Μαχητής). Οι ίνες Aramid («Kevlar» είναι μια πολύ γνωστή ιδιοκτησία της DuPont) χρησιμοποιούνται ευρέως σε μορφή κυψελοειδούς φύλλου για την κατασκευή πολύ σκληρών, πολύ ελαφρών διαφραγμάτων, δεξαμενών καυσίμου και δαπέδων. Χρησιμοποιούνται επίσης σε εξαρτήματα πτερυγίων κορυφαίας και πίσω πλευράς.

Σε ένα πειραματικό πρόγραμμα, η Boeing χρησιμοποίησε με επιτυχία 1.500 σύνθετα μέρη να αντικαταστήσει 11.000 μεταλλικά εξαρτήματα σε ελικόπτερο. Η χρήση εξαρτημάτων με βάση σύνθετα υλικά αντί του μετάλλου ως μέρος των κύκλων συντήρησης αυξάνεται ραγδαία στις εμπορικές και ψυχαγωγικές αερομεταφορές.

Συνολικά, οι ίνες άνθρακα είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη σύνθετη ίνα σε εφαρμογές αεροδιαστημικής.

Έχουμε ήδη αγγίξει μερικά, όπως η εξοικονόμηση βάρους, αλλά εδώ είναι μια πλήρης λίστα:

• Μείωση βάρους - οι εξοικονομήσεις στο εύρος του 20% -50% αναφέρονται συχνά.
• Είναι εύκολο να συναρμολογηθούν πολύπλοκα εξαρτήματα χρησιμοποιώντας αυτόματες μηχανές τοποθέτησης και διαδικασίες περιστροφικής χύτευσης.
• Οι χυτευμένες δομές Monocoque («μονό κέλυφος») προσφέρουν μεγαλύτερη αντοχή σε πολύ χαμηλότερο βάρος.
• Οι μηχανικές ιδιότητες μπορούν να προσαρμοστούν με τη σχεδίαση «lay-up», με κωνικά πάχη ενισχυτικού υφάσματος και προσανατολισμού υφάσματος.
• Θερμική σταθερότητα σύνθετων υλικών σημαίνει ότι δεν επεκτείνονται / συστέλλονται υπερβολικά με αλλαγή της θερμοκρασίας (για παράδειγμα ένας διάδρομος 90 ° F έως -67 ° F στα 35.000 πόδια σε λίγα λεπτά).
• Υψηλή αντοχή σε κρούση - η θωράκιση Kevlar (αραμιδίου) προστατεύει επίσης αεροπλάνα - για παράδειγμα, μειώνοντας τυχαία ζημιά στους πυλώνες του κινητήρα που φέρουν χειριστήρια κινητήρα και γραμμές καυσίμου.
• Η υψηλή ανοχή ζημιών βελτιώνει την επιβίωση ατυχημάτων.
• «Γαλβανικά» - ηλεκτρικά - προβλήματα διάβρωσης που θα προκύψουν όταν έρχονται σε επαφή δύο ανόμοια μέταλλα (ιδιαίτερα σε υγρά θαλάσσια περιβάλλοντα). (Εδώ παίζει ρόλο το μη αγώγιμο φίμπεργκλας.)
• Τα προβλήματα κόπωσης / διάβρωσης συνδυάζονται ουσιαστικά.

Με συνεχώς αυξανόμενο κόστος καυσίμου και περιβαλλοντικές πιέσεις, η εμπορική πτήση βρίσκεται υπό συνεχή πίεση για βελτίωση της απόδοσης και η μείωση βάρους είναι ένας βασικός παράγοντας στην εξίσωση.

Πέρα από το καθημερινό λειτουργικό κόστος, τα προγράμματα συντήρησης αεροσκαφών μπορούν να απλοποιηθούν με τη μείωση του αριθμού εξαρτημάτων και τη μείωση της διάβρωσης. Ο ανταγωνιστικός χαρακτήρας της επιχείρησης κατασκευής αεροσκαφών διασφαλίζει ότι κάθε ευκαιρία για μείωση του λειτουργικού κόστους διερευνάται και αξιοποιείται όπου είναι δυνατόν.

Υπάρχει επίσης ανταγωνισμός στο στρατό, με συνεχή πίεση για αύξηση του ωφέλιμου φορτίου και της εμβέλειας, των χαρακτηριστικών επιδόσεων της πτήσης και της «επιβίωσης», όχι μόνο των αεροπλάνων αλλά και των πυραύλων.

Η σύνθετη τεχνολογία συνεχίζει να εξελίσσεται και η εμφάνιση νέων τύπων, όπως οι βασικές και οι ανθρακούχες μορφές νανοσωλήνων, είναι βέβαιο ότι θα επιταχύνει και θα επεκτείνει τη χρήση σύνθετων.

Όσον αφορά την αεροδιαστημική, τα σύνθετα υλικά είναι εδώ για να μείνουν.