Šiuo metu kompozitinės medžiagos tapo viena iš keturių pagrindinių medžiagų sistemų greta metalinių medžiagų, polimerinių medžiagų ir neorganinių nemetalinių medžiagų. Šalies sudėtinių medžiagų pramonės lygis tapo pagrindiniu jos mokslinės, technologinės ir ekonominės galios rodikliu. Pažangios kompozicinės medžiagos yra konkurencinio pranašumo šaltinis nacionaliniam saugumui ir ekonomikai. Prognozuojama, kad iki 2020 m. tik kompozicinės medžiagos turės galimybę pasiekti 20–25 % našumo pagerėjimą.
1. Taikymas orlaivių fiuzeliažo konstrukcijose
Pažangios kompozitinės medžiagos naudojamos pirminės apkrovą{0}}nešančiosioms konstrukcijoms ir antrinės apkrovos-nešančiosioms konstrukcijoms gaminti, kurių kietumas ir stiprumas panašus į aliuminio lydinių arba yra didesnis. Šios medžiagos dabar plačiai naudojamos orlaivių fiuzeliažo konstrukcijų ir mažų nepilotuojamų orlaivių (UAV) integruotų konstrukcijų gamyboje. Jungtinės Valstijos plačiai taikė kompozitus naikintuvuose ir koviniuose orlaiviuose. XX a. septintajame dešimtmetyje JAV pirmą kartą panaudojo anglies pluoštu -sustiprintą plastiką (CFRP) kariniuose orlaiviuose komponentams, tokiems kaip kabinos durys, prieigos skydai, gaubtai ir valdymo paviršiai (pvz., eleronai ir vairas). ne-apkrovos-reikalavimai. Devintojo dešimtmečio pradžioje kompozitai tapo uodeginiais komponentais, pvz., vertikalūs ir horizontalūs stabilizatoriai (antrinės apkrovos laikančiosios konstrukcijos), kaip matyti tokiuose orlaiviuose kaip F-15, F-16, F-18, Mirage 2000 vėlyvas, 00000 kompozicinis B. Šio etapo naudojimo laikas buvo ribotas. Devintajame dešimtmetyje ketvirtos kartos naikintuvai, tokie kaip F-22 ir F-35 JSF, pradėjo naudoti kompozitus į pagrindines laikančiąsias konstrukcijas, tokias kaip sparnai ir fiuzeliažai, taip paspartindami kompozitų integravimą į karinius orlaivius. Kompozitinių medžiagų naudojimas ir toliau didėjo (1-2 lentelės), dabar jie sudaro 20–50 % šiuolaikinių karinių orlaivių konstrukcinės masės.
Didžiosios Britanijos įmonė ICI naudojo GF/PA (tikėtina, stiklo pluoštu{0}}sustiprintą poliamidą), kad gamintų vožtuvus naikintuvams, užtikrindama, kad šie vožtuvai išlaikytų veikimą ir matmenų stabilumą net ir ilgai veikiant degalais plačiame temperatūrų diapazone. Du Pont taip pat naudojo tokias medžiagas kaip GF, KF/PA ir PPS (polifenileno sulfidas) karinių orlaivių komponentams gaminti.
Kaip pavyzdį paėmus ketvirtosios-kartos F/A-22 naikintuvą, kompozitai sudaro 24,2 % jo konstrukcinių medžiagų. Tarp jų termoreaktingi kompozitai sudaro 23,8%, o termoplastiniai kompozitai sudaro apie 0,4%. Maždaug 70 % termoreaktyvių kompozitų yra pagaminti iš bismaleimido (KMI) dervos, kuri naudojama gaminant daugiau nei 200 rūšių sudėtingų komponentų. Likusias termoreaktyviąsias medžiagas daugiausia sudaro kompozitai epoksidinės dervos pagrindu, papildomai naudojami cianato esterio ir termoplastinės dervos kompozitai. Pagrindinės taikymo sritys yra sparnai, vidutinio fiuzeliažo apvalkalai, rėmai ir uodegos dalys.
Kariniuose rotoriniuose lėktuvuose taip pat plačiai naudojami kompozitai. Pavyzdžiui, V-22 Osprey su tiltrotoriniu orlaiviu daugiau nei 40 % konstrukcinės masės sudaro kompozitai, įskaitant fiuzeliažą, sparnus, uodegą ir sukimosi mechanizmus, iš viso daugiau nei 3 000 kg kompozitinių medžiagų. Naujausio Europos Eurocopter Tiger atakos sraigtasparnio 80 % konstrukcinių komponentų sudaro kompozicinės medžiagos, beveik visiškai sudėtinis lėktuvo korpusas. Priešingai, karinio transporto orlaiviuose sunaudojama mažiau kompozitų-C-17 (8 %) ir C-130J – tik 2 %, nors Airbus A400M kariniame transporte sumontuotas visiškai sudėtinis sparnas, o kompozitai sudaro 35 % konstrukcinės masės, kai tuščia.
Civilinėje aviacijoje devintojo dešimtmečio pradžioje JAV-sukonstruotų vienpiločių-lengvųjų orlaivių Star舟 konstrukcinė masė buvo apie 1800 kg, o kompozitų masė viršijo 1200 kg. 1986 m. sukurtas lengvasis „Voyager“ orlaivis, kurio daugiau nei 90 % konstrukcijos sudarytas iš anglies pluošto kompozitų, pasiekė pasaulio rekordą skrydžiams be sustojimų, devynių dienų nepertraukiamo -aplink pasaulį. Šiandien aviacijos ir kosmoso gigantų „Boeing“ ir „Airbus“ konkurencija sustiprėjo, daugiausia dėmesio skiriant kompozitinių medžiagų naudojimui (1-2 pav.).
Kad pagamintų pirmąjį -sudėtinį 787 orlaivio fiuzeliažą, „Boeing“ panaudojo pluošto išdėstymo metodą, panašų į „Raytheon“ naudojamą. Šio proceso metu buvo sukurtas 7 metrų ilgio ir 6 metrų pločio sudėtinis fiuzeliažo komponentas. Ši konstrukcija buvo pagaminta naudojant „Automatic Fiber Placement“ (AFP) technologiją ant masyvios besisukančios šerdies. Įtvaras buvo iš anksto-apdirbtas grioveliais, atitinkančiais fiuzeliažo stringerų ir ilgonų formą ir matmenis. Iš anksto suformuotos stygos ir sijos (pagamintos iš anglies pluošto sluoksnių ir sukietintos slėgiu) prieš apvyniojimą buvo įdėtos į šiuos griovelius. Gamybos metu įtvaras sukosi išilgai savo ašies, leidžiantis nenutrūkstamai pluoštui vynioti ant formos, kad būtų suformuotas fiuzeliažo apvalkalas, o langų angos liko neuždengtos. Fiuzeliažo apvalkalas kartu su sijomis ir stygomis buvo sukietintas autoklave,{12}}kuriant buvo sukurta monolitinė kompozicinė fiuzeliažo dalis, kuri vėliau buvo išardyta kaip galutinis produktas.
„Boeing 787“ sudėtinė fiuzeliažo dalis yra ne tik didžiausias pasaulyje gijų{1}}fiuzeliažo komponentas, bet ir pripažintas didžiausiu kada nors pagamintu anglies pluošto slėginiu indu. Išskirtinis kompozitinės medžiagos atsparumas tempimui ir lankui leidžia atlaikyti didesnį slėgį salone, išlaikant vidinį slėgį, atitinkantį 6 000 pėdų (1 830 metrų) aukštį-palyginti su įprastu 7 000–9 000 pėdų įprastuose keleiviniuose orlaiviuose} {12}. Be to, kompozitai yra atsparūs korozijai (didelis metalinių lėktuvų korpusų trūkumas), todėl salono drėgmė išlieka stabili 10–15 % (lyginant su 5–10 % metaliniuose korpusuose), o tai dar labiau padidina komfortą.
Didėjant kompozicinių technologijų įtakai, „Airbus“ visiškai pakeitė A-350 dizainą, pervadindama jį į A-350 XWB (Extra Wide Body). Orlaivis padidino kompozitinių medžiagų naudojimą nuo pradinių 40 % iki 52 %. A-350 XWB fiuzeliažas yra 13 cm platesnis nei 787, todėl didelio tankio išdėstymuose galima įrengti 9 krūtų sėdimų vietų konfigūraciją (palyginti su 787 maksimaliu 8 kryžmių atstumu). Kaip ir 787, A-350 XWB išlaikys slėgį salone 6000 pėdų aukščio ekvivalentu.
2013 m. birželio 14 d. „Airbus“ sėkmingai atliko pirmąjį savo naujojo plataus-korpuso A350 XWB orlaivio skrydį, o tai ženklino dar vieną etapą pasaulinėje aviacijos pramonėje po „Boeing“ B-787 „Dreamliner“. A350 XWB ir B-787 naudoja atitinkamai 52 % ir 50 % kompozicinių medžiagų, o tai reiškia naują kosminių kompozitų kūrimo erą.
555-sėdimos vietos A-380, didžiausias pasaulyje orlaivis, pasiekė novatoriškų žygdarbių aviacijos istorijoje, plačiai naudodamas anglies pluoštu sustiprintą plastiką (CFRP). Kompozitinės medžiagos sudaro 25 % orlaivio masės, iš kurių 22 % sudaro CFRP, o 3 % yra GLARE metalo pluošto laminatas (sluoksninis aliuminio ir stiklo pluošto kompozitų hibridas), pastarasis pirmą kartą naudojamas civiliniuose orlaiviuose. Į CFRP komponentus įeina: greičio stabdžiai, vertikalūs ir horizontalūs stabilizatoriai (dvigubai veikiantys kaip kuro bakai), liftai, eleronai, sklendės spoileriai, važiuoklės durys, gaubtai, vertikalios uodegos briaunų dėžės, viršutinės kabinos grindų sijos, galinės slėgio pertvaros, galinės fiuzeliažo dalys, horizontalūs stabilizatoriai ir eleronai.
Po A-340 novatoriško anglies pluošto panaudojimo kilio sijai ir sudėtinėms galinėms slėginėms pertvaroms -laužant tradicines konstrukcijos kliūtis-, A-380 dar labiau ginčijo inžinerines normas, pritaikė CFRP savo centrinei sparno dėžei (sujungiant sparnus su korpuso korpusu). Vien ši naujovė sumažino svorį 1,5 metrinės tonos, palyginti su pažangiais aliuminio lydiniais. Sumažėjęs CFRP svoris, kartu su atsparumu nuovargiui ir korozijai, padidino degalų efektyvumą 13 %, palyginti su konkuruojančiais modeliais, ir sumažino išmetamųjų teršalų kiekį. A-380 tapo pirmuoju tolimųjų reisų orlaiviu, sunaudojusiu mažiau nei 3 litrus degalų vienam keleiviui 100 km, o eksploatacijos sąnaudos buvo 15–20% mažesnės nei efektyviausio to meto orlaivio.
„Dassault Aviation“ verslo reaktyvinis lėktuvas „Falcon 7X“, galintis skrieti 12 000 metrų ir maksimalus 0,8 Macho greitis, talpina 8 keleivius ir gali pasigirti 10 560 km (5 700 jūrmylių) nuotoliu. „Raytheon“ Beechcraft Premier 1 lengvasis reaktyvinis lėktuvas pasiekia 835 km/h kreiserinį greitį, o nuotolis – 2759 km{14}}abu su pažangiais visais-sudėtiniais korpusais.
Naujajame Japonijos transporto lėktuve ALELEX taip pat yra daug anglies pluošto kompozitų.
Kinija taip pat plačiai naudojo kompozicines medžiagas kurdama ir gamindama orlaivius. Pavyzdžiui, QY8911/HT3 bismaleimido vienkryptis anglies pluošto prepregas ir kompozicinė medžiaga, kurią sukūrė ir pagamino Pekino aeronautikos gamybos technologijų tyrimų institutas, buvo pritaikytos tokiems komponentams kaip priekinė fiuzeliažo sekcija, vertikalus uodegos stabilizatorius, išorinės sparnų plokštės, spoileriai ir supaprastintos orlaivių gaubtai. PEEK/AS4C termoplastinės dervos vienakryptis anglies pluošto prepregas ir kompozicinė medžiaga, kurią sukūrė Pekino aeronautikos medžiagų institutas, pasižymi išskirtiniu atsparumu lūžiams, vandeniui, atsparumui senėjimui, antipirenui ir atsparumui nuovargiui. Šios medžiagos, tinkamos pirminę apkrovą{6}}nešančioms orlaivių konstrukcijoms gaminti, gali ilgai veikti- 120 laipsnių kampu ir buvo naudojamos priekinėse orlaivių važiuoklės skydų plokštėse.
Kinijos karinio lėktuvo „Flying Leopard“, kuriame yra daug anglies pluošto kompozitinių komponentų, bendras ilgis yra maždaug 22,3 metro, sparnų plotis – 12,7 metro, didžiausias kilimo svoris – 28,4 tonos, maksimali išorinė naudingoji apkrova – 6,5 tonos, maksimalus greitis – 1,70 Macho, o kelto nuotolis – apie 3,60 km. Kovinėmis galimybėmis pranokstančias „Jaguar“, „Tornado“ ir „Su{9}}24“ lėktuvus „Flying Leopard“ pasižymi trečiosios kartos naikintuvų charakteristikomis.
2. Kompozitinių medžiagų taikymas orlaivių slaptuose įrenginiuose
Pastaraisiais dešimtmečiais buvo padaryta didelė pažanga tiriant slaptas kompozitines medžiagas, kurios vystosi siekiant „plonumo, lengvumo, plačiajuosčio ryšio (spektrinės) sugerties ir stiprumo (atsparumo smūgiams, aukštai{0}} temperatūrai).“ Anglies pluoštu{2}}sustiprintos konstrukcinės medžiagos yra ne tik lengvos, bet ir didelio stiprumo{3} kompozitai. slaptas funkcionalumas. Pavyzdžiui, CF/PEEK arba CF/PPS pasižymi puikiu plačiajuosčio ryšio sugerties našumu ir efektyviai sugeria radaro bangas. Jungtinės Valstijos pradėjo naudoti slaptas medžiagas orlaiviuose, o F-117 ir F-22 buvo labiausiai padengti. Slapta F-117 danga buvo labai sudėtinga, joje buvo iki septynių skirtingų medžiagų.
Pirminėje JAV F-22 viršgarsinio naikintuvo konstrukcijoje naudojami vidutinio-modulio anglies pluoštu-sustiprinti specialūs inžineriniai plastikai. Panašiai naikintuvo Mirage III lėtėjimo parašiuto dangčiai ir išmetimo sėdynių komponentai yra pagaminti iš tokių medžiagų, kurios buvo sėkmingai pritaikytos radarą{10}}sugeriančioms dalims, pvz., orlaivio briaunoms, apvalkalams, jungtims ir tvirtinimo detalėms. „Tomahawk“ sparnuotosios raketos korpuse, „B-2 slaptojo bombonešio lėktuvo korpuso substrate ir slaptojo lėktuvo F-117A dalyse taip pat naudojamos anglies pluoštu modifikuotos polimerinės radarą sugeriančios medžiagos.
2000 m. JAV oro pajėgos atnaujino F-117 slaptas medžiagas, pakeisdamos originalią septynių{6} sluoksnių dangą viena medžiaga. Dėl šio pakeitimo standartizuotos priežiūros procedūros ir radarą sugeriančios medžiagos visuose F-117, sumažinamos techninės specifikacijos maždaug 50 %. Po-naujinimo F-117 skrydžio valandos techninės priežiūros laikas sumažėjo daugiau nei perpus, o visų 52 F-117 metinės priežiūros išlaidos sumažėjo nuo 14,5 mln. 6,9 mln. Skirtingai nuo F-117, F-22 vengia viso korpuso radarą sugeriančių dangų, tačiau visus vidinius ir išorinius metalinius komponentus dengia ferito radarą sugeriančiomis dangomis. Ši danga yra patvari, atspari dilimui ir lengviau dengiama, palyginti su F-117 sistema.
Ekspertai prognozuoja, kad iki 2030-ųjų pažangūs kompozitai, tokie kaip laidžios polimerinės elektrochrominės medžiagos, hibridinės puslaidininkinės medžiagos, nanokompozitai ir išmaniosios slaptos technologijos, bus praktiškai įdiegtos orlaiviuose. Šios naujovės galėtų iš esmės pakeisti aviacijos elektronikos sistemas ir orlaivių valdymo metodikas.
Šaltinis:Aviacijos kompozicinės medžiagos ir jų mechaninė analizėHaitao Cui ir Zhigang Sun (red.)