Pašlaik kompozītmateriāli ir kļuvuši par vienu no četrām galvenajām materiālu sistēmām līdzās metāliskiem materiāliem, polimēru materiāliem un neorganiskiem nemetāliskiem materiāliem. Valsts kompozītmateriālu rūpniecības līmenis ir kļuvis par galveno tās zinātniskā, tehnoloģiskā un ekonomiskā spēka rādītāju. Uzlaboti kompozītmateriāli ir valsts drošības un ekonomikas konkurences priekšrocību avots. Tiek prognozēts, ka līdz 2020. gadam tikai kompozītmateriāliem būs iespēja sasniegt 20–25% veiktspējas uzlabojumu.
1. Pielietojums gaisa kuģu fizelāžas konstrukcijās
Uzlaboti kompozītmateriāli tiek izmantoti, lai ražotu primārās slodzes-nesošās konstrukcijas un sekundārās slodzes-nesošās konstrukcijas, kas nodrošina stingrību un izturību, kas ir salīdzināma ar alumīnija sakausējumiem vai pārsniedz to. Šos materiālus tagad plaši izmanto gaisa kuģu fizelāžas konstrukciju un mazo bezpilota lidaparātu (UAV) integrēto konstrukciju ražošanā. Amerikas Savienotās Valstis ir plaši pieņēmušas kompozītmateriālus iznīcinātāju un kaujas lidmašīnās. 1960. gados ASV pirmo reizi izmantoja oglekļa šķiedru-armēto plastmasu (CFRP) militārajos lidmašīnās tādām sastāvdaļām kā kabīnes durvis, piekļuves paneļi, apšuvumi un vadības virsmas (piemēram, eleroni un stūre). ne-slodzes-prasības. Līdz 20. gadsimta 80. gadu sākumam kompozītmateriāli kļuva par astes komponentiem, piemēram, vertikālajiem un horizontālajiem stabilizatoriem (sekundārās slodzes{15}}nesošās konstrukcijas), kā tas bija redzams tādos lidmašīnās kā F-15, F-16, F-18, Mirage 2000 un kompozītmateriālu Mirage 4. lietošanas fāze. Astoņdesmitajos gados ceturtās paaudzes iznīcinātāji, piemēram, F-22 un F-35 JSF, sāka iekļaut kompozītmateriālus galvenajās nesošajās konstrukcijās, piemēram, spārnos un fizelāžās, paātrinot kompozītmateriālu integrāciju militārajās lidmašīnās. Kompozītmateriālu izmantošana ir turpinājusi palielināties (1-2. tabula), kas tagad veido 20–50% no mūsdienu militāro lidmašīnu konstrukcijas masas.
Britu uzņēmums ICI izmantoja GF/PA (iespējams, stikla šķiedras -stiegrotu poliamīdu), lai ražotu vārstus kaujas lidmašīnām, nodrošinot, ka šie vārsti saglabā veiktspēju un izmēru stabilitāti pat pēc ilgstošas degvielas iedarbības plašā temperatūras diapazonā. Du Pont izmantoja arī tādus materiālus kā GF, KF/PA un PPS (polifenilēna sulfīds), lai ražotu komponentus militārām lidmašīnām.
Ņemot par piemēru ceturtās -paaudzes F/A-22 iznīcinātāju, kompozītmateriāli veido 24,2% no tā konstrukcijas materiāliem. No tiem termoreaktīvie kompozītmateriāli veido 23,8%, savukārt termoplastiskie kompozītmateriāli veido aptuveni 0,4%. Apmēram 70% termoreaktīvo kompozītmateriālu pamatā ir bismaleimīda (ĶMI) sveķi, ko izmanto vairāk nekā 200 veidu sarežģītu komponentu ražošanai. Pārējie termoreaktīvie materiāli galvenokārt sastāv no kompozītmateriāliem, kuru pamatā ir epoksīdsveķi, un papildus tiek izmantoti cianāta estera un termoplastisko sveķu kompozītmateriāli. Galvenās pielietojuma jomas ir spārni, vidējas fizelāžas apvalki, rāmji un astes daļas.
Militārajos rotorkuģos plaši tiek izmantoti arī kompozītmateriāli. Piemēram, V-22 Osprey lidmašīnā ar tiltrotoru vairāk nekā 40% no tās konstrukcijas masas tiek izmantoti kompozītmateriāli, tostarp fizelāža, spārni, aste un rotācijas mehānismi, kopā vairāk nekā 3000 kg kompozītmateriālu. Jaunākajā Eiropas Eurocopter Tiger uzbrukuma helikopterā 80% tā konstrukcijas sastāvdaļu ir kompozītmateriāli, un tas ir gandrīz pilnībā salikts lidmašīnas korpuss. Turpretim militārās transporta lidmašīnas izmanto mazāk kompozītmateriālu-C-17 ar 8% un C-130J tikai 2%, lai gan Airbus A400M militārajā transportā ir pilnībā salikts spārns, un kompozītmateriāli veido 35% no tā konstrukcijas masas tukšā stāvoklī.
Civilajā aviācijā 1980. gadu sākumā ASV -būvēto-vienpilota-vieglo lidmašīnu Star舟 konstrukcijas masa bija aptuveni 1800 kg, bet kompozītmateriālu svars pārsniedza 1200 kg. 1986. gada vieglā lidmašīna Voyager, kuras struktūras vairāk nekā 90% ir izgatavotas no oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem, uzstādīja pasaules rekordu lidojumā bez apstāšanās, deviņas{13}}dienas nepārtraukti ap{14}}pasauli. Mūsdienās ir pastiprinājusies sāncensība starp aviācijas un kosmosa gigantiem Boeing un Airbus, galveno uzmanību pievēršot kompozītmateriālu izmantošanas palielināšanai (1.-2. attēls).
Lai ražotu pirmo -salikto 787. lidmašīnu fizelāžu, Boeing izmantoja šķiedru izvietošanas metodi, kas ir līdzīga Raytheon izmantotajai. Procesa rezultātā tika izveidota kompozīta fizelāžas sastāvdaļa, kuras garums bija 7 metri un platums 6 metri. Šī struktūra tika ražota, izmantojot automātisko šķiedru izvietojuma (AFP) tehnoloģiju uz masīvas rotējošas serdes. Mantuls tika iepriekš-apstrādāts ar rievām, kas atbilst fizelāžas stīgu un garenu formai un izmēriem. Pirms uztīšanas šajās rievās tika ievietotas iepriekš sagatavotas stīgas un sijas (izgatavotas no oglekļa šķiedras iepriekš sagatavotiem slāņiem un spiedienā{9}}cietinātas). Ražošanas laikā serde griezās pa savu asi, ļaujot nepārtraukti šķiedru uztīt uz veidnes, veidojot fizelāžas apvalku, bet logu atveres netika izliktas. Pēc tam fizelāžas apvalks kopā ar sijām un stīgām tika apstrādāts autoklāvā, lai izveidotu monolītu saliktu fizelāžas daļu, kas vēlāk tika nojaukta kā galaprodukts.
Boeing 787 jauktā fizelāžas daļa ir ne tikai pasaulē lielākā kvēldiega{1}}fizelāžas sastāvdaļa, bet arī atzīta par lielāko jebkad ražoto oglekļa šķiedras spiedtvertni. Kompozītmateriāla izcilā stiepes/stīpas izturība ļauj tam izturēt lielāku spiedienu kabīnē, saglabājot iekšējo spiedienu, kas ir līdzvērtīgs 6000 pēdu (1830 metru) augstumam-salīdzinājumā ar tipisku 7000–9000 pēdu parastām lidmašīnām, kas uzlabo komforta līmeni.{12} Turklāt kompozītmateriāli ir izturīgi pret koroziju (metāla lidmašīnu korpusu galvenais vājums), ļaujot salona mitrumam saglabāt stabilu 10–15% (pret 5–10% metāla fizelāžām), vēl vairāk uzlabojot komfortu.
Kompozītu tehnoloģiju pieaugošajā ietekmē Airbus pilnībā pārveidoja A-350, pārdēvējot to par A-350 XWB (īpaši plats korpuss). Lidmašīna palielināja kompozītmateriālu patēriņu no sākotnējiem 40% līdz 52%. A-350 XWB fizelāža ir 13 cm platāka nekā 787, kas nodrošina 9 bronšu sēdvietu konfigurāciju augsta blīvuma izkārtojumos (salīdzinājumā ar 787. maksimālo 8 plumi). Tāpat kā 787, arī A-350 XWB saglabās spiedienu salonā 6000 pēdu augstuma ekvivalentā.
2013. gada 14. jūnijā Airbus veiksmīgi veica sava jaunā platā-korpusa A350 XWB lidmašīnas pirmo lidojumu, iezīmējot vēl vienu pavērsienu pasaules aviācijas nozarē pēc Boeing B-787 "Dreamliner". A350 XWB un B-787 izmanto attiecīgi 52% un 50% kompozītmateriālu, kas nozīmē jaunu ēru aviācijas un kosmosa kompozītmateriālu izstrādē.
555-vietīgais A-380, pasaulē lielākais lidaparāts, sasniedza revolucionārus varoņdarbus aviācijas vēsturē, plaši izmantojot ar oglekļa šķiedru pastiprinātu plastmasu (CFRP). Kompozītmateriāli veido 25% no gaisa kuģa masas, no kuriem 22 % ir CFRP un 3 % ir GLARE metāla šķiedras lamināts (alumīnija un stikla šķiedras kompozītmateriālu slāņveida hibrīds), kas pirmo reizi tika izmantots civilajās lidmašīnās. CFRP komponentos ietilpst: ātruma bremzes, vertikālie un horizontālie stabilizatori (dubulto kā degvielas tvertnes), lifti, eleroni, atloku spoileri, šasijas durvis, apvalki, vertikālās astes spuru kastes, augšējās kabīnes grīdas sijas, aizmugurējās spiediena starpsienas, aizmugurējās fizelāžas sekcijas, horizontālie stabilizatori un eleroni.
Pēc A-340 novatoriskā oglekļa šķiedras izmantošanas ķīļa sijā un kompozītmateriālu aizmugurējās spiediena starpsienās, -pārkāpjot tradicionālās konstrukcijas barjeras-, A-380 vēl vairāk apstrīdēja inženiertehniskās normas, ieviešot CFRP tās centrālajā spārnu kastē (savienojot spārnus ar fizelāžu). Šis jauninājums pats par sevi samazināja svaru par 1,5 tonnām salīdzinājumā ar uzlabotajiem alumīnija sakausējumiem. CFRP svara ietaupījums apvienojumā ar nogurumu un izturību pret koroziju uzlaboja degvielas efektivitāti par 13% salīdzinājumā ar konkurējošiem modeļiem un samazināja emisijas. A-380 kļuva par pirmo tālsatiksmes lidmašīnu, kas patērēja mazāk par 3 litriem degvielas uz vienu pasažieri uz 100 km, un ekspluatācijas izmaksas ir 15–20% zemākas nekā tā laika visefektīvākajām lidmašīnām.
Dassault Aviation biznesa reaktīva lidmašīna Falcon 7X, kas spēj noskriet 12 000 metrus ar maksimālo ātrumu 0,8 Mach, var uzņemt 8 pasažierus, un tās darbības rādiuss ir 10 560 km (5700 jūras jūdzes). Raytheon Beechcraft Premier 1 vieglā strūkla sasniedz 835 km/h kreisēšanas ātrumu ar 2759 km{14}}nobraukumu, un abām ir uzlabotas visas-kompozīta fizelāžas.
Japānas jaunajā transporta lidmašīnā ALELEX ir arī izmantoti ievērojami oglekļa šķiedras kompozītmateriāli.
Ķīna ir arī plaši izmantojusi kompozītmateriālus lidmašīnu projektēšanā un ražošanā. Piemēram, QY8911/HT3 bismaleimīda vienvirziena oglekļa šķiedras prepreg un kompozītmateriāls, ko izstrādājis un ražojis Pekinas Aeronautikas ražošanas tehnoloģiju pētniecības institūts, ir izmantots tādām sastāvdaļām kā priekšējā fizelāžas sekcija, vertikālais astes stabilizators, ārējie spārnu paneļi, spoileri un gaisa kuģa racionalizētie apvalki. PEEK/AS4C termoplastisko sveķu vienvirziena oglekļa šķiedras prepreg un kompozītmateriāls, ko izstrādājis Pekinas Aeronavigācijas materiālu institūts, uzrāda izcilu izturību pret lūzumiem, ūdensizturību, izturību pret novecošanos, liesmas slāpēšanu un noguruma izturību. Šie materiāli ir piemēroti primāro slodzi-nesošo gaisa kuģu konstrukciju ražošanai, var ilgstoši darboties-120 grādu leņķī, un tie ir izmantoti lidmašīnu šasijas paneļu priekšējos apvalkos.
Ķīnas militārās lidmašīnas "Flying Leopard", kurā ir iekļautas nozīmīgas oglekļa šķiedras kompozītmateriālu sastāvdaļas, kopējais garums ir aptuveni 22,3 metri, spārnu platums ir 12,7 metri, maksimālais pacelšanās svars ir 28,4 tonnas, maksimālā ārējā kravnesība ir 6,5 tonnas, maksimālais ātrums ir 1,70 Mach, un prāmja darbības rādiuss ir aptuveni 3,6 kilometri. Ar kaujas spējām, kas pārsniedz Jaguar, Tornado un Su{9}}24 lidmašīnu kaujas spējas, Flying Leopard demonstrē īpašības, kas atbilst trešās paaudzes iznīcinātājiem.
2. Kompozītmateriālu pielietojums gaisa kuģu slepenībā
Pēdējo desmitgažu laikā ir panākts ievērojams progress tādu slepenu kompozītmateriālu izpētē, kuri attīstās, lai sasniegtu tādus raksturlielumus kā "plāns, vieglums, platjoslas (spektrālā) absorbcija un izturība (triecienizturība, augsta -temperatūras izturība)." Oglekļa šķiedru -stiegroti strukturālie materiāli ir ne tikai viegls, bet arī ļoti {3}izturīgs. slepena funkcionalitāte. Piemēram, CF/PEEK vai CF/PPS uzrāda izcilu platjoslas absorbcijas veiktspēju, efektīvi absorbējot radara viļņus. Amerikas Savienotās Valstis bija pionieris slepenu materiālu izmantošanā lidmašīnās, un F-117 un F-22 bija visspēcīgāk pārklāti. F-117 slepenais pārklājums bija ļoti sarežģīts, iekļaujot līdz pat septiņiem dažādiem materiāliem.
ASV F-22 virsskaņas iznīcinātāja primārajā struktūrā tiek izmantota vidēja-modula oglekļa šķiedra-pastiprināta speciāla inženiertehniskā plastmasa. Līdzīgi arī iznīcinātāju Mirage III palēninājuma izpletņu pārsegi un katapults sēdekļu komponenti ir izgatavoti no šādiem materiāliem, kas ir veiksmīgi izmantoti radaru{10}}absorbējošām daļām, piemēram, lidmašīnas ribām, apvalkiem, savienotājiem un stiprinājumiem. Spārnotās raķetes Tomahawk korpusā, slepenā bumbvedēja B-2 korpusa substrātā un slepenās lidmašīnas F-117A daļās arī izmantoti ar oglekļa šķiedru modificētu polimēru radaru absorbējoši materiāli.
2000. gadā ASV gaisa spēki uzlaboja F-117 slepenos materiālus, aizstājot sākotnējo septiņu-slāņu pārklājumu ar vienu materiālu. Šīs izmaiņas standartizēja apkopes procedūras un radara{10}}absorbcijas materiālus visos F-117, samazinot tehniskās specifikācijas par aptuveni 50%. Pēc-jaunināšanas F-117 apkopes laiks vienā lidojuma stundā tika samazināts vairāk nekā uz pusi, un ikgadējās uzturēšanas izmaksas visiem 52 F-117 samazinājās no 14,5 miljoniem 6,9 miljoniem. Atšķirībā no F-117, F-22 izvairās no visa korpusa radaru absorbējošiem pārklājumiem, bet visiem iekšējiem un ārējiem metāla komponentiem uzklāj ferīta radaru absorbējošus pārklājumus. Šis pārklājums ir izturīgs, nodilumizturīgs un vieglāk uzklājams salīdzinājumā ar F-117 sistēmu.
Eksperti prognozē, ka līdz 2030. gadiem lidmašīnās praktiski tiks ieviesti uzlaboti kompozītmateriāli, piemēram, vadoši polimēru elektrohromi materiāli, hibrīdie pusvadītāju materiāli, nanokompozītmateriāli un viedās slepenās tehnoloģijas. Šie jauninājumi varētu būtiski pārveidot avionikas sistēmas un gaisa kuģu vadības metodoloģijas.
Avots:Aviācijas kompozītmateriāli un to mehāniskā analīzeautors: Haitao Cui un Zhigang Sun (red.)