В настоящее время композитные материалы стали одной из четырех основных систем материала наряду с металлическими материалами, полимерными материалами и неорганическими неметаллическими материалами. Уровень индустрии композитных материалов нации стал ключевым показателем ее научной, технологической и экономической силы. Усовершенствованные композитные материалы являются источником конкурентного преимущества для национальной безопасности и экономики. Предполагается, что к 2020 году только композитные материалы могут достичь улучшения производительности на 20–25%.
1. Приложения в структурах фюзеляжа самолетов
Усовершенствованные композитные материалы используются для изготовления primary-несущих конструкций, несущих нагрузки, и секунда, несущие нагрузочные конструкции, предлагая жесткость и прочность, сравнимые с или превышающими или превышающие алюминиевые сплавы. Эти материалы в настоящее время широко применяются в производстве самолетов фюзеляжных конструкций и небольших беспилотных воздушных автомобилей (БПЛА). Соединенные Штаты широко приняли композиты в истребительных самолетах и боевых самолетах. К началу 1980-х годов композиты, продвигаемые к хвостым компонентам, подобны вертикальным и горизонтальным стабилизаторам (вторичные структуры несущих нагрузки), как видно на таких самолетах, как F -15, F -16, F -18, Миргаж 2000 и Мираж 4000. За этот фаза, Composity Hard, Limited. Бойцы четвертого поколения, такие как F -22 и F -35 JSF начали включать композиты в major-несущие структуры, такие как крылья и фюзеляжи, ускоряя интеграцию композитов в военные самолеты. Использование композитных материалов продолжает увеличиваться (таблица 1-2), теперь приходится составлять 20-50% структурной массы в современных военных самолетах.
Британская компания ICI использовала GF/PA (вероятный стеклянный волокно-полиамид) для производства клапанов для истребительных самолетов, что обеспечивает обеспечение того, чтобы эти клапаны поддерживали производительность и стабильность размеров даже после длительного воздействия топлива в широком температурном диапазоне. Du Pont также использовал такие материалы, как GF, KF/PA и PPS (полифениленсульфид) для производства компонентов для военных самолетов.
Принимая истребитель четвертого поколения f/a -22, композиты составляют 24,2% его структурных материалов. Среди них терморевные композиты составляют 23,8%, в то время как термопластичные композиты составляют приблизительно 0. 4%. Около 70% терморетитивных композитов основаны на смоле бисмалеимид (ИМТ), используемой для получения более 200 типов сложных компонентов. Оставшиеся терморетитирующие материалы, в основном, состоят из композитов на основе эпоксидной смолы, с дополнительным использованием композитов на основе цианата и термопластичной смолы. Ключевые области применения включают крылья, шкуры среднего фюзеляжа, рамы и хвостовые секции.
Военный роторный корпус также широко использует композиты. Например, V -22 самолет Tiltrotor использует композиты для более чем 40% своей структурной массы, включая механизмы фюзеляжа, крылья, хвоста и вращательных материалов, в общей сложности более 3, 000 кг композитных материалов. Последний европейский вертолет Tiger Attack Eurocopter оснащен композитными материалами в 80% своих структурных компонентов, приближаясь к полностью составному планеру. Напротив, военные транспортные самолеты используют меньше композитов-C -17 при 8% и C {{8} j J всего 2%-хотя военный транспорт Airbus A400M включает в себя всекомпозитное крыло, с композитами, представляющими 35% ее структурной массы при пустом.
В гражданской авиации в начале 1980-х годов в США однопилот-звезду 舟 Световой самолет имел структурную массу около 1800 кг, при этом композиты превышали 1200 кг. Легкий самолет Voyager 1986 года с более чем 90% его структуры, изготовленной из композитов из углеродного волокна, установил мировой рекорд для непрерывного девятидневного непрерывного полета вокруг всего мира. Сегодня соперничество между аэрокосмическими гигантами Boeing и Airbus усилилось, с ключевым вниманием к увеличению использования композитного материала (рисунок 1-2).
Чтобы произвести первый полностью композитный фюзеляж 787 самолетов, Boeing принял метод размещения волокна, аналогичный тому, который использовался Raytheon. Процесс создал композитный компонент фюзеляжа длиной 7 метров и ширину 6 метров. Эта структура была изготовлена с использованием технологии размещения automatic Pible (AFP) на массивном вращающемся оправке. Манрель была предварительно приостановлена с канавками, соответствующими форме и размерам фюзеляжных стрингеров и долгонов. Предварительно сформированные стрингеры и балки (изготовленные из слоев препарата из углеродного волокна и закрепленные давлением) были помещены в эти канавки перед обмоткой. Во время производства оправдан повернулся вдоль своей оси, позволяя непрерывной обмотке волокна на форму образуя оболочку фюзеляжа, а оконные отверстия остались безысловными. Оболочка фюзеляжа, наряду с балками и стрингерами, затем была автоклава, чтобы создать монолитный составный фюзеляж, который впоследствии был преодолен как конечный продукт.
Секция композитного фюзеляжа Boeing 787 является не только крупнейшим в мире компонентом фюзеляжа на нити, но также признается крупнейшим из когда-либо создаваемых сосудов с давлением углеродного волокна. Исключительная прочность на растяжение/обруча композитного материала позволяет ему выдерживать более высокое давление в салоне, поддержав внутреннее давление, эквивалентное высоте 6, 000 футов (1830 метров) -сравнение к типичному 7, 000-9, 000}}} в целом. Кроме того, композиты сопротивляются коррозии (основной слабости металлических планеров), позволяя влажности в салоне оставаться стабильной на уровне 10–15% (против 5–10% в металлических фюзеляжах), что еще больше улучшает комфорт.
Под растущим влиянием композитной технологии Airbus полностью переработал a -350, переименуя его a -350 xwb (очень широкое тело) . Самолет увеличил использование своего композитного материала с первоначальных 40% до 52% . A -350 fuselage XWB составляет 13 см шире, чем 787, позволяя 9- конфигурации сидения в максимуме высокой плотности (по сравнению с максимумом 787 8- abreast). Как и 787, a -350 xwb будет поддерживать давление в кабине при эквиваленте высоты 6, 000 футов.
14 июня 2013 года Airbus успешно провели девичий полет своего нового широкофюзного самолета A350 XWB, отметив еще одну веху в глобальной авиационной отрасли после B -787 «Dreamliner». A350 XWB и B -787 используют составные материалы 52% и 50%, соответственно, обозначающие новую эру в разработке аэрокосмической композиции.
555- сиденье a -380, крупнейший в мире самолеты, достигнутые новаторскими подвигами в истории авиации путем широкого использования пластического пластика (CFRP) . Композитные материалы составляют 25% от массы самолета, причем 22% составляют CFRP, а 3%-ламинат с волокнистым металлом lare (многослойный гибрид композитов алюминия и стекловолокна), первое использование последнего в гражданских самолетах. Компоненты CFRP включают в себя: скоростные тормоза, вертикальные и горизонтальные стабилизаторы (удваиваются в виде топливных баков), лифты, элероны, спойлеры клапанов, двери шасси, обтекатели, вертикальные ящики для хвостовых плавников, верхние балки в кабине, лучи заднего давления, секции заднего фюзеляжа, горизонтальные стабилизаторы и элероны.
Следуя пионеровному использованию углеродного волокна A -340 для барьеры для луча киля и композитного заднего давления, разрушающие традиционные барьеры дизайна--380 дальнейшие оспариваемые инженерные нормы путем принятия CFRP для его центрального крыла ящика (соединение крыльев с фьюзеляжем). Одно только это инновации уменьшили вес на 1,5 метрического тонна по сравнению с продвинутыми алюминиевыми сплавами. Экономия веса CFRP в сочетании с усталостью и коррозионной стойкостью, повышение эффективности использования топлива на 13% над конкурирующими моделями и сокращением выбросов. A -380 стал первым самолетом на длинном ходе, который достиг 3 литра топлива на пассажира на 100 км, причем эксплуатационные расходы-15–20% ниже, чем наиболее эффективные самолеты своего времени.
Business Jet Dassault Aviation falcon 7x, способный к круизу в 12, 000 метров с максимальной скоростью Маха 0. 8, размещает 8 пассажиров и может похвастаться диапазоном 10 560 км (5700 миль). Light Jet Raytheon Premier 1 Light достигает крейсерской скорости 835 км/ч с диапазоном 2759 км-бал.
Новый транспортный самолет Японии, alelex, также включает в себя значительные композиты углеродного волокна.
Китай также широко использовал композитные материалы в проектировании и производстве самолетов. Например, QY8911/HT3 BISMALEIMIDE однонаправленного преподминирования углеродного волокна и композитного материала, разработанного и изготовленного Пекинским исследовательским институтом технологий авиационного производства, были применены к таким компонентам, как участок переднего фюзеляжа, вертикальный стабилизатор хвоста, панели внешнего крыла, спойеры и оборудованные фьюзеляж. Термопластичная смоля Peek/AS4C однонаправленное препроизведение углеродного волокна и композитный материал, разработанный в Пекинском институте авиационных материалов, демонстрируют исключительную вязкость переломов, водостойкость, сопротивление старения, замедление пламени и устойчивость к усталости. Подходящие для производства первичных нагрузочных конструкций самолетов, эти материалы могут работать в долгосрочной перспективе на 120 градусов и используются в передних шкурах панелей залива самолетов.
Китайский военный самолет «летающий леопард», который включает в себя значительные композитные композиты углеродного волокна, имеет общую длину приблизительно 22,3 метра, размах крыльев 12,7 метра, максимальный вес взлета 28,4 тонн, максимальная внешняя способность применяет 6,5 тонны, максимальную скорость 1,70 и диапазон палочек в 3 600 Kilometrers. С боевыми возможностями, превосходящими самолета Jaguar, Tornado и Su -24, летающий леопард демонстрирует характеристики, соответствующие истребителям третьего поколения.
2. Применение композитных материалов в стелсе самолетов
В последние десятилетия был достигнут значительный прогресс в исследовании составных материалов из стелс, которые развиваются в направлении характеристик «тонкости, легкость, широкополосной (спектральной) поглощения и прочности (удара воздействия, высокой температурной сопротивления)». Углеродное волокно-реинформированное композиты-это не только легкая и высокопрочная структурная материалы, но также обладают критической функциональностью. Например, cf/peek или cf/pps демонстрируют превосходные характеристики широкополосного поглощения, эффективно поглощая радиолокационные волны. Соединенные Штаты впервые использовали использование стелс -материалов в самолете, с f -117 и f -22 наиболее сильно покрыты. Столс -покрытие на f -117 было очень сложным, включающим до seven разные материалы.
Основная структура США f -22 Суперзвукового бойца использует средне-модулусные углеродные волокно-армированные специализированные инженерные пластмассы. Аналогичным образом, компоненты парашюта и компоненты отброса и компоненты изгнания и бортового парашюта Fighter и компоненты изгнания изготавливаются из таких материалов, которые были успешно применены к радарным деталям, таким как ребра самолета, шкуры, разъемы и крепежные элементы. Круизная ракетная ракета tomahawk, подложка планера b -2 бомбардировщика Stealth и разделов f -117 a Stealth самолета также используют углеродные волокно-модифицированные материалы с помощью полимерных радарных материалов.
В 2000 воздушные силы США обновили стелс-материалы F -117, заменив исходное семислойное покрытие одним материалом. Это изменение стандартизированных процедур технического обслуживания и радарных материалов во всех F -117 S, уменьшая технические характеристики примерно на 50%. Пост-обновление, время обслуживания в час полета для f -117 было сокращено более половиной, а годовые затраты на обслуживание для всех 52 F -117 S упали с 14,5 млн., 6,9 млн. В отличие от F -117, F -22 избегает полных покрытий с радаром полного тела, но применяет ferrite радарные покрытия для всех внутренних и внешних металлических компонентов. Это покрытие долговечно, устойчивое к износу и легче применять по сравнению с системой F -117.
Эксперты прогнозируют, что в соответствии с 2030S передовые композиты, такие как condiction Polymer Electrochromic Materials, -гибридные полупроводниковые материалы, nanocomposites и intelligent Stealth Technologies будут практически реализованы в самолетах. Эти инновации могут принципиально трансформировать системы авионики и методологии управления самолетами.
Источник:Авиационные композитные материалы и их механический анализХайтао Куй и Чиганг Сан (ред.)