Obecnie materiały kompozytowe stały się jednym z czterech głównych systemów materiałowych, obok materiałów metalicznych, materiałów polimerowych i nieorganicznych-materiałów niemetalowych. Poziom krajowego przemysłu materiałów kompozytowych stał się kluczowym wskaźnikiem jego siły naukowej, technologicznej i ekonomicznej. Zaawansowane materiały kompozytowe są źródłem przewagi konkurencyjnej dla bezpieczeństwa narodowego i gospodarki. Przewiduje się, że do 2020 r. jedynie materiały kompozytowe będą miały potencjał osiągnięcia poprawy wydajności o 20–25%.
1. Zastosowania w konstrukcjach kadłuba statku powietrznego
Do produkcji „konstrukcji nośnych obciążenia pierwotnego” i „konstrukcji nośnych obciążenia wtórnego” wykorzystuje się zaawansowane materiały kompozytowe, zapewniające sztywność i wytrzymałość porównywalną lub przekraczającą stopy aluminium. Materiały te są obecnie szeroko stosowane w produkcji konstrukcji kadłubów samolotów i zintegrowanych konstrukcji małych bezzałogowych statków powietrznych (UAV). Stany Zjednoczone szeroko zastosowały kompozyty w myśliwcach i samolotach bojowych. W latach 60. XX w. Stany Zjednoczone po raz pierwszy zastosowały „tworzywa sztuczne-wzmocnione włóknem węglowym (CFRP) w samolotach wojskowych do produkcji takich komponentów, jak drzwi kabin, panele dostępowe, owiewki i powierzchnie sterowe (np. lotki i stery) o małych-wymaganiach-nośności{12}}. Na początku lat 80. kompozyty rozwinęły się w „elementy ogona”, takie jak stabilizatory pionowe i poziome (drugorzędne-konstrukcje nośne), co można zobaczyć w samolotach takich jak F-15, F-16, F-18, Mirage 2000 i Mirage 4000. Na tym etapie zastosowanie kompozytów pozostawało ograniczone. Pod koniec lat 80. myśliwce czwartej generacji, takie jak w F-22 i F-35 JSF zaczęto stosować kompozyty w „głównych konstrukcjach nośnych”, takich jak skrzydła i kadłuby, przyspieszając integrację kompozytów w samolotach wojskowych. Stosowanie materiałów kompozytowych stale rośnie (tabela 1-2) i obecnie stanowią one „20%–50% masy konstrukcyjnej” nowoczesnych samolotów wojskowych.
Brytyjska firma ICI wykorzystała GF/PA (prawdopodobnie poliamid-wzmocniony włóknem szklanym) do produkcji zaworów do samolotów myśliwskich, zapewniając, że zawory te zachowują wydajność i stabilność wymiarową nawet po długotrwałej ekspozycji na paliwo w szerokim zakresie temperatur. Du Pont zastosował również materiały takie jak GF, KF/PA i PPS (siarczek polifenylenu) do produkcji komponentów samolotów wojskowych.
Biorąc za przykład myśliwiec F/A-22 czwartej generacji, kompozyty stanowią 24,2% materiałów konstrukcyjnych. Wśród nich kompozyty termoutwardzalne stanowią 23,8%, natomiast kompozyty termoplastyczne stanowią około 0,4%. Około 70% kompozytów termoutwardzalnych opiera się na żywicy bismaleimidowej (BMI), wykorzystywanej do produkcji ponad 200 rodzajów złożonych komponentów. Pozostałe materiały termoutwardzalne składają się głównie z kompozytów na bazie żywicy epoksydowej-z dodatkowym zastosowaniem kompozytów na bazie estrów cyjanianowych i żywicy termoplastycznej-. Kluczowe obszary zastosowań obejmują skrzydła, poszycia środkowej części kadłuba, wręgi i sekcje ogonowe.
Wiropłaty wojskowe również w szerokim zakresie wykorzystują kompozyty. Na przykład w samolocie tiltrotorowym V-22 Osprey zastosowano kompozyty w ponad 40% masy konstrukcyjnej, w tym w kadłubie, skrzydłach, ogonie i mechanizmach obrotowych, co daje łącznie ponad 3000 kg materiałów kompozytowych. Najnowszy europejski helikopter szturmowy Eurocopter Tiger składa się z materiałów kompozytowych w 80% elementów konstrukcyjnych, co przypomina całkowicie kompozytowy płatowiec. Z kolei wojskowe samoloty transportowe wykorzystują mniej kompozytów-C-17 – 8%, a C-130J – zaledwie 2% – chociaż wojskowy samolot transportowy Airbus A400M ma skrzydło wykonane w całości z kompozytów, a kompozyty stanowią 35% jego masy konstrukcyjnej, gdy jest pusty.
W lotnictwie cywilnym lekkie samoloty Star-zbudowane na początku lat 80. w USA-z jednym pilotem{11}} miały masę konstrukcyjną około 1800 kg, a kompozyty przekraczały 1200 kg. Lekki samolot Voyager z 1986 r., którego ponad 90% konstrukcji wykonano z kompozytów z włókna węglowego, ustanowił rekord świata w dziewięciodniowym, nieprzerwanym,-locie dookoła świata. Obecnie rywalizacja między gigantami lotniczymi Boeingiem i Airbusem nasiliła się, a jej głównym celem jest zwiększenie wykorzystania materiałów kompozytowych (rysunek 1-2).
Aby wyprodukować pierwszy w całości-kompozytowy kadłub samolotu 787, Boeing przyjął metodę umieszczania włókien podobną do tej stosowanej przez firmę Raytheon. W wyniku tego procesu powstał kompozytowy element kadłuba o długości 7 metrów i szerokości 6 metrów. Struktura ta została wyprodukowana przy użyciu technologii „automatycznego umieszczania włókien (AFP)” na masywnym obrotowym trzpieniu. Trzpień został wstępnie-obrobiony maszynowo z rowkami pasującymi do kształtu i wymiarów podłużnic i podłużnic kadłuba. Wstępnie uformowane podłużnice i belki (wykonane z warstw prepregu z włókna węglowego i utwardzane-ciśnieniowo) umieszczono w tych rowkach przed nawinięciem. Podczas produkcji trzpień obracał się wzdłuż swojej osi, umożliwiając ciągłe nawijanie włókien na formę w celu utworzenia poszycia kadłuba, przy czym otwory okienne pozostały niezałożone. Powłoka kadłuba wraz z belkami i podłużnicami została następnie utwardzona w autoklawie-w celu utworzenia monolitycznej kompozytowej sekcji kadłuba, którą później rozebrano jako produkt końcowy.
Kompozytowa sekcja kadłuba Boeinga 787 to nie tylko największy na świecie-element kadłuba z uzwojonymi włóknami, ale także uznawany za największy zbiornik ciśnieniowy z włókna węglowego, jaki kiedykolwiek wyprodukowano. Wyjątkowa wytrzymałość materiału kompozytowego na rozciąganie/obręcz pozwala mu wytrzymać wyższe ciśnienie w kabinie, utrzymując ciśnienie wewnętrzne odpowiadające wysokości 1830 metrów (6000 stóp)-w porównaniu z typowymi 7000–9000 stóp w konwencjonalnych samolotach-, co znacznie poprawia komfort pasażerów. Ponadto kompozyty są odporne na korozję (główna słabość metalowych płatowców), dzięki czemu wilgotność w kabinie utrzymuje się na stałym poziomie 10–15% (w porównaniu z 5–10% w kadłubach metalowych), co dodatkowo zwiększa komfort.
Pod rosnącym wpływem technologii kompozytowej Airbus całkowicie przeprojektował A-350, zmieniając jego nazwę na „A-350 XWB (Extra Wide Body). Samolot zwiększył wykorzystanie materiałów kompozytowych z pierwotnych 40% do 52%. Kadłub A-350 XWB jest „13 cm szerszy” niż w modelu 787, co umożliwia konfigurację „9 miejsc siedzących” w układach o dużym zagęszczeniu (w porównaniu z maksymalnie 8 miejscami w 787 w 787). Podobnie jak 787, A-350 XWB będzie utrzymywał ciśnienie w kabinie na wysokości odpowiadającej 6000 stóp.
14 czerwca 2013 r. Airbus pomyślnie wykonał dziewiczy lot swojego nowego-szerokokadłubowego samolotu A350 XWB, ustanawiając kolejny kamień milowy w światowym przemyśle lotniczym po Boeingu B-787 „Dreamliner”. W A350 XWB i B-787 zastosowano odpowiednio 52% i 50% materiałów kompozytowych, co oznacza nową erę w rozwoju kompozytów dla przemysłu lotniczego.
Największy samolot świata, mieszczący 555-miejsc A-380, dokonał przełomowych osiągnięć w historii lotnictwa dzięki szerokiemu wykorzystaniu „tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym (CFRP). Materiały kompozytowe stanowią „25% masy samolotu”, z czego 22% to CFRP, a 3% to „laminat z włókna metalowego GLARE” (warstwowa hybryda kompozytów z aluminium i włókna szklanego), które jest pierwszym zastosowaniem tego ostatniego w cywilnych statkach powietrznych. Elementy CFRP obejmują: hamulce prędkości, stabilizatory pionowe i poziome (pełniące jednocześnie zbiorniki paliwa), stery wysokości, lotki, spojlery klap, drzwi podwozia, owiewki, pionowe skrzynki stateczników ogonowych, belki podłogowe górnej kabiny, tylne grodzie ciśnieniowe, tylne sekcje kadłuba, stabilizatory poziome i lotki.
Po pionierskim zastosowaniu w A-340 włókna węglowego w belce stępki i kompozytowych tylnych grodziach ciśnieniowych-przełamaniu tradycyjnych barier konstrukcyjnych-, A-380 jeszcze bardziej rzucił wyzwanie normom inżynieryjnym, stosując CFRP w „centralnej skrzyni skrzydła” (łączącej skrzydła z kadłubem). Sama ta innowacja zmniejszyła masę o „1,5 tony” w porównaniu z zaawansowanymi stopami aluminium. Niższa masa CFRP w połączeniu ze zmęczeniem i odpornością na korozję poprawiła efektywność paliwową o „13%” w porównaniu z konkurencyjnymi modelami i zmniejszyła emisję gazów cieplarnianych. A-380 stał się pierwszym samolotem dalekiego zasięgu, który zużył „poniżej 3 litrów paliwa na pasażera na 100 km”, a koszty operacyjne były „15–20% niższe” w porównaniu z najbardziej wydajnym samolotem swoich czasów.
Biznesowy odrzutowiec „Falcon 7X” firmy Dassault Aviation, zdolny do lotu na wysokość 12 000 metrów z maksymalną prędkością 0,8 Macha, może pomieścić 8 pasażerów i może pochwalić się zasięgiem 10 560 km (5700 mil morskich). Lekki odrzutowiec Raytheon „Beechcraft Premier 1” osiąga prędkość przelotową 835 km/h i zasięg 2759 km-oba mają zaawansowane „całkowicie-kadłuby kompozytowe.
Nowy japoński samolot transportowy „ALELEX” również wykorzystuje znaczące kompozyty z włókna węglowego.
Chiny również szeroko wykorzystują materiały kompozytowe w projektowaniu i produkcji samolotów. Na przykład jednokierunkowy prepreg i materiał kompozytowy z bismaleimidu QY8911/HT3 z włókna węglowego opracowany i wyprodukowany przez Pekiński Instytut Badawczy Technologii Produkcji Aeronautycznej został zastosowany w takich elementach, jak przednia sekcja kadłuba, pionowy stabilizator ogona, zewnętrzne panele skrzydeł, spojlery i opływowe owiewki samolotów. Jednokierunkowy prepreg i materiał kompozytowy z żywicy termoplastycznej PEEK/AS4C z włókna węglowego opracowany przez Pekiński Instytut Materiałów Lotniczych wykazują wyjątkową odporność na pękanie, wodoodporność, odporność na starzenie, ognioodporność i odporność na zmęczenie. Materiały te, odpowiednie do produkcji głównych-konstrukcji nośnych samolotów, mogą pracować-przez długi czas w temperaturze 120 stopni i zostały użyte w przednich poszyciach paneli wnęk podwozia samolotu.
Chiński samolot wojskowy „Flying Leopard”, który zawiera istotne komponenty z kompozytu włókna węglowego, ma długość całkowitą około 22,3 m, rozpiętość skrzydeł 12,7 m, maksymalną masę startową 28,4 ton, maksymalną ładowność zewnętrzną 6,5 tony, prędkość maksymalną 1,70 Macha i zasięg promu około 3600 km. Dzięki możliwościom bojowym przewyższającym możliwości samolotów Jaguar, Tornado i Su-24, Latający Leopard wykazuje cechy charakterystyczne dla myśliwców trzeciej generacji.
2. Zastosowanie materiałów kompozytowych w technologii Stealth
W ostatnich dziesięcioleciach poczyniono znaczne postępy w badaniach nad niewidzialnymi materiałami kompozytowymi, które ewoluują w kierunku cech „cienkości, lekkości, szerokopasmowej (spektralnej) absorpcji i wytrzymałości (odporności na uderzenia,-odporności na wysoką temperaturę).” Kompozyty-wzmocnione włóknem węglowym to nie tylko lekkie i-wytrzymałe materiały konstrukcyjne, ale także posiadają krytyczną funkcję niewidoczności. Na przykład „CF/PEEK” lub „CF/PPS” wykazują doskonałą wydajność absorpcji szerokopasmowej, skutecznie pochłaniając fale radarowe. Stany Zjednoczone były pionierami w stosowaniu materiałów niewidocznych w samolotach, przy czym modele „F-117” i „F-22” są najbardziej powlekane. Niewidoczna powłoka F-117 była bardzo złożona i obejmowała aż „siedem różnych materiałów”.
Podstawowa konstrukcja amerykańskiego myśliwca naddźwiękowego „F-22 wykorzystuje specjalne tworzywa konstrukcyjne wzmocnione włóknem węglowym o średnim-module-. Podobnie osłony spadochronu zwalniającego i elementy fotela katapultowego myśliwca „Mirage III” są wykonane z takich materiałów, które z powodzeniem zastosowano w częściach pochłaniających radary, takich jak żebra, poszycia, złącza i elementy złączne samolotu. Obudowa „pocisku manewrującego Tomahawk”, podłoże płatowca bombowca „B-2 stealth” i sekcje samolotu stealth „F-117A” również wykorzystują polimerowe materiały pochłaniające radary modyfikowane włóknem węglowym.
W 2000 Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych zmodernizowały materiały niewidoczne w F-117, zastępując oryginalną siedmiowarstwową-powłokę jednym materiałem. Ta zmiana ujednoliciła procedury konserwacji i materiały-pochłaniające radary we wszystkich F-117, zmniejszając specyfikacje techniczne o około 50%. Po-modernizacji czas obsługi technicznej F-117 na godzinę lotu został skrócony o ponad połowę, a roczne koszty konserwacji wszystkich 52 F-117 spadły z 14,5–6,9 miliona. W przeciwieństwie do F-117, F-22 unika powłok pochłaniających radary na całym ciele, ale nakłada „ferrytowe powłoki pochłaniające radary” na wszystkie wewnętrzne i zewnętrzne elementy metalowe. Powłoka ta jest trwała, odporna na zużycie i łatwiejsza w aplikacji w porównaniu z systemem F-117.
Eksperci przewidują, że do „2030 roku” zaawansowane kompozyty, takie jak „przewodzące polimerowe materiały elektrochromowe”, „hybrydowe materiały półprzewodnikowe”, „nanokompozyty” i „inteligentne technologie stealth” zostaną praktycznie wdrożone w samolotach. Innowacje te mogą zasadniczo zmienić systemy awioniki i metodologie sterowania samolotami.
Źródło:Lotnicze materiały kompozytowe i ich analiza mechanicznaautorzy: Haitao Cui i Zhigang Sun (red.)