Designul ușor este un concept explorat și utilizat pe scară largă în multe industrii, în special în aplicații aerospațiale, și este asociat cu conceptul de aviație verde. Contribuția aviației la fenomenele de încălzire globală și la poluarea mediului a dus la eforturi continue de reducere a emisiilor din aviație. Abordările pentru atingerea acestui obiectiv includ creșterea eficienței energetice. O modalitate eficientă de a crește eficiența energetică și de a reduce consumul de combustibil este prin reducerea masei aeronavelor, întrucât o masă mai mică necesită mai puțină forță de ridicare și împingere în timpul zborului. De exemplu, pentru Boeing 787, o economie de greutate de 20% a dus la o îmbunătățire a consumului de combustibil cu 10-12%. În plus față de reducerea amprentei de carbon, îmbunătățirile performanței zborului, cum ar fi o accelerație mai bună, o rezistență și rigiditate structurală mai ridicate și o performanță mai bună în materie de siguranță ar putea fi obținute și prin designul ușor.

greutate

Optimizarea greutății unui vehicul aerian fără pilot cu energie solară (UAV) este un exemplu de utilizare atât a energiei curate, cât și a structurilor ușoare pentru a realiza o operațiune de aviație ecologică. Proiectele actuale de UAV cu energie solară se confruntă cu provocări precum densitatea insuficientă a energiei și rigiditatea aripilor. Designul ușor este esențial pentru aviația ultraligeră, permițând o durată mai mare de zbor.

Principiul designului ușor este de a utiliza mai puțin material cu densitate mai mică, asigurând în același timp performanțe tehnice aceleași sau îmbunătățite. O abordare tipică pentru realizarea unui design ușor pentru componentele aerospațiale este aplicarea de materiale ușoare avansate pe structuri optimizate numeric, care pot fi fabricate cu metode de fabricație adecvate. Ca atare, aplicarea materialelor ușoare poate realiza în mod eficient atât reducerea greutății, cât și îmbunătățirea performanței. Deși materialele metalice - în special aliajele de aluminiu - sunt încă materialele dominante în aplicațiile aerospațiale, materialele compozite au primit un interes tot mai mare și concurează cu aliajele de aluminiu în multe aplicații noi pentru avioane.

Optimizarea structurală este un alt mod eficient de a obține o greutate redusă, prin distribuirea materialelor pentru a reduce utilizarea materialelor și pentru a spori performanța structurală, cum ar fi rezistența și rigiditatea mai ridicate și performanțele mai bune la vibrații. Metodele convenționale de optimizare structurală sunt dimensiunea, forma și topologia. Fabricabilitatea este o constrângere crucială atât în ​​selectarea materialelor, cât și în optimizarea structurală. Dezvoltarea tehnologiilor avansate de fabricație, cum ar fi fabricarea aditivă, spuma metalică și formarea avansată a metalelor, nu numai că permit aplicarea de materiale avansate, ci relaxează constrângerile, sporind flexibilitatea optimizării structurale pe mai multe scări.

Figura 1. Exemple de proiectare ușoare: (a) Avion acrobatic SAW Revo, (b) UAV pseudo-satelit la mare altitudine Zephyr, (c) conceptul viitor model de avion Airbus și (d) conceptul pentru un avion cu aripi box.

Multe exemple de design ușor au fost aplicate cu succes în proiectarea aeronavelor ușoare. Figura 1 (a) ilustrează conceptul de aeronavă SAW Revo (produs de Orange Aircraft), care este un avion ultra-ușor acrobatic cu aripi compozite întărite cu fibră de carbon și un fuzelaj tip fermă optimizat topologic. Greutatea goală a acestui avion de 6 metri cu anvergură este de 177 kg. Figura 1 (b) prezintă un UAV de mare altitudine, pseudo-satelit, alimentat cu energie solară de la Airbus. Zephyr 7 deține în prezent recordul mondial pentru cea mai lungă durată absolută a zborului (336 ore, 22 minute, 8 secunde) și cea mai mare altitudine de zbor (21.562 m) pentru UAV-uri, parțial din cauza eficienței energetice sporite prin greutate redusă. Figura 1 (c) prezintă un model al unui viitor concept de avion ușor pentru 2050 de la Airbus, inspirat de un schelet de pasăre. Figura 1 (d) demonstrează un concept de aeronavă cu aripi cu cutie în care optimizarea formei este utilizată în proiectarea aripilor. Eficiența structurală ar putea fi mărită prin utilizarea unei structuri de aripi de cutie; rigiditatea mai mare și forța de tracțiune indusă mai mică rezultă din aripa cutiei în comparație cu structurile convenționale ale aripilor.

Selectarea materialelor ușoare

Selectarea materialelor aerospațiale este crucială în proiectarea componentelor aerospațiale, deoarece afectează multe aspecte ale performanței aeronavelor, de la faza de proiectare până la eliminare, inclusiv eficiența structurală, performanța zborului, sarcina utilă, consumul de energie, siguranța și fiabilitatea, costul ciclului de viață, reciclabilitatea și disponibilitatea . Cerințele critice pentru materialele structurale aerospațiale includ proprietăți mecanice, fizice și chimice, cum ar fi rezistență ridicată, rigiditate, durabilitate la oboseală, toleranță la deteriorare, densitate scăzută, stabilitate termică ridicată, rezistență ridicată la coroziune și oxid și criterii comerciale precum costuri, service și fabricabilitate. Studiile au indicat că cel mai eficient mod de a îmbunătăți eficiența structurală este reducerea densității (de aproximativ 3 până la 5 ori mai eficientă în comparație cu creșterea rigidității sau rezistenței), adică folosind materiale ușoare.

Figura 2. Distribuții de materiale pentru o selecție de produse Boeing.

Cele mai frecvent utilizate materiale structurale comerciale aerospațiale sunt aliajele de aluminiu, aliajele de titan, oțelurile de înaltă rezistență și compozitele, reprezentând în general mai mult de 90% din greutatea cadrelor de aer. Din anii 1920 până la sfârșitul secolului, metalul - datorită rezistenței și rigidității sale ridicate, în special aliajului de aluminiu - a fost materialul dominant în fabricarea cadrelor aeriene, cu măsuri de siguranță și alte performanțe de zbor care conduc deciziile de proiectare a aeronavelor. Aliaje ușoare de aluminiu erau principalele materiale structurale pentru aviație - reprezentând 70% - 80% din greutatea majorității aeronavelor civile înainte de 2000 - și încă joacă un rol important. De la mijlocul anilor 1960 și 1970, proporția compozitelor utilizate în structurile aerospațiale a crescut datorită dezvoltării compozitelor de înaltă performanță. Figura 2 ilustrează distribuția materialelor pentru unele produse Boeing.

Aliaje de aluminiu. Deși compozite de înaltă performanță, cum ar fi fibra de carbon, sunt din ce în ce mai interesate, aliajele de aluminiu reprezintă încă o proporție semnificativă din greutatea structurală aerospațială. Rezistența și rigiditatea specifică relativ ridicate, ductilitatea bună și rezistența la coroziune, prețul scăzut și fiabilitatea și fiabilitatea excelente fac din aliajele de aluminiu avansate o alegere populară a materialelor ușoare în multe aplicații structurale aerospațiale, de ex. piele de fuselaj, piei de aripi superioare și inferioare și șnururi de aripi. Dezvoltarea tehnologiei de tratare termică oferă aliaje de aluminiu de înaltă rezistență care rămân competitive cu compozite avansate în multe aplicații aerospațiale. Aliajele de aluminiu pot oferi o gamă largă de proprietăți ale materialelor care îndeplinesc cerințe diverse de aplicare, prin ajustarea compozițiilor și a metodelor de tratament termic.

Aliaje de titan. Aliajele de titan au multe avantaje față de alte metale, cum ar fi rezistența specifică ridicată, rezistența la căldură, rezistența la fragilitate criogenică și expansiunea termică scăzută. Aceste avantaje fac din aliajele de titan o alternativă excelentă la oțelurile și aliajele de aluminiu din aplicațiile pentru aeronave și motoare; cu toate acestea, producția slabă și costul ridicat (de obicei de aproximativ 8 ori mai mare decât aliajele comerciale de aluminiu) au ca rezultat utilizarea restricționată a aliajelor de titan. Prin urmare, aliajele de titan sunt utilizate acolo unde este necesară o rezistență ridicată, dar este disponibil spațiu limitat, precum și acolo unde este necesară o rezistență ridicată la coroziune. Aplicațiile actuale ale aliajelor de titan în industria aerospațială sunt în principal în structurile de aeronave și în componentele motorului, care cuprind în general 7% și respectiv 36% din greutate.

Oțel de înaltă rezistență. Oțelul este cel mai frecvent utilizat material structural în multe aplicații din industrie datorită producției și disponibilității bune, rezistenței și rigidității extrem de ridicate sub formă de oțeluri de înaltă rezistență, proprietăților dimensionale bune la temperaturi ridicate, precum și costului cel mai mic dintre materialele aerospațiale comerciale. Dar densitatea ridicată și alte dezavantaje, cum ar fi susceptibilitatea relativ mare la coroziune și fragilitate, restricționează aplicarea oțelurilor de înaltă rezistență în componentele și sistemele aerospațiale. Oțelul reprezintă în mod normal aproximativ 5% până la 15% din greutatea structurală a avioanelor comerciale, procentul scăzând constant. În ciuda limitărilor, oțelurile cu rezistență ridicată sunt în continuare alegerea componentelor critice pentru siguranță, unde sunt necesare rezistență și rigiditate extrem de ridicate. Aplicațiile majore pentru oțelurile de înaltă rezistență în industria aerospațială sunt aplicațiile pentru angrenaje, rulmenți și trenuri de rulare.

Compozite aerospațiale. Compozitele de înaltă performanță, cum ar fi polimerul armat cu fibre și laminatele din fibre metalice (FML), au primit o atenție sporită în aplicațiile aerospațiale, concurând cu materialele aerospațiale majore, cum ar fi aliajele de aluminiu. În general, compozitele aerospațiale au rezistență specifică și rigiditate specifică mai mare decât majoritatea metalelor la temperaturi moderate. Alte avantaje ale compozitelor includ rezistență îmbunătățită la oboseală, rezistență la coroziune și rezistență la umiditate, precum și capacitatea de a adapta plăcile pentru rezistență și rigiditate optimă în direcțiile necesare; cu toate acestea, costul mai ridicat al compozitelor în comparație cu metalele este unul dintre obstacolele majore pentru aplicarea compozitelor.

Polimerul întărit cu fibră de carbon (CFRP) reprezintă cel mai utilizat material structural aerospațial în afară de aliajele de aluminiu, aplicațiile majore fiind componentele structurale ale cutiei de aripi, empenajului și fuzelajului, precum și suprafețelor de control (de exemplu, cârma, elevatorul și eleronele) . Polimerul armat cu fibră de sticlă (GFRP) este utilizat în radome și componente semi-structurale, cum ar fi carenaje. Polimerii din fibre de aramidă sunt folosiți acolo unde este necesară o rezistență ridicată la impact. Laminatele din fibră metalică, în special din aluminiu armat cu fibră de sticlă (GLARE), sunt alte tipuri de compozite care au aplicații în industria aerospațială (în special în Airbus A380) datorită proprietăților mecanice îmbunătățite, cum ar fi densitatea redusă, rezistența ridicată, rigiditatea și rezistența la oboseală în comparație cu metale monolitice. Principalele aplicații ale GLARE sunt pielea fuselajului și empenajul.

Compozitele polimerice cu memorie de formă (SMPC) sunt materiale inteligente care își pot schimba forma ca urmare a unui anumit stimul precum schimbarea temperaturii, un câmp electric sau magnetic, anumite lungimi de undă ale luminii etc. prin eliberarea stresului intern stocat în material. Aplicațiile SMPC-urilor în componentele și sistemele aerospațiale includ învelișul de aripă al aeronavelor cu aripi morphing și rețeaua solară și antena reflectoră a sateliților. Avantajele SMPC-urilor față de aliajele cu memorie de formă (SMA) includ densitate mai mică, deformabilitate și recuperabilitate mai mare a formei, procesare mai bună și cost relativ mai mic.

Rolul nanotehnologiei

Dezvoltarea nanotehnologiei oferă o oportunitate de îmbunătățire a proprietăților multifuncționale (proprietăți fizice, chimice, mecanice etc.) la nivel nanomural. Spre deosebire de compozitele convenționale, nanocompozitele oferă posibilitatea de a îmbunătăți proprietățile fără creșterea prea mare a densității prin adăugarea doar a unei cantități mici de nanoparticule (de exemplu, silicat stratificat, nanotuburi de carbon funcționalizate (CNT) și fulgi de grafit). Pentru a crește rezistența la oxidare a compozitelor, de exemplu, nanoparticulele ar putea fi incluse, cum ar fi silicatul, CNT-urile sau silsesquioxanul poliedric oligomeric (POSS) care ar putea forma straturi de pasivare.

Adăugarea de CNT, silice și silicat stratificat în matrice compozită ar putea promova disiparea energiei în caz de defecțiune structurală, crescând rezistența compozitului și rezultând în aplicarea potențială a structurilor cu toleranță ridicată la daune. În plus față de modulul ridicat, nanoparticulele de înaltă rezistență, cum ar fi CNT continuu, ar putea îmbunătăți rigiditatea și rezistența compozitului.

Dezvoltarea nanocompozitelor oferă posibilitatea eliminării redundanței și reducerii greutății, care oferă un potențial semnificativ în promovarea proprietăților componentelor aerospațiale, în special în greutatea redusă.

Fabricare avansată

Fabricabilitatea este o constrângere crucială pe tot parcursul procesului de proiectare, reglementând posibilitatea dacă un design poate fi fabricat într-un produs real. Constrângerile de fabricație trebuie luate în considerare în timpul selectării materialelor, proiectării structurii și optimizării. Proiectele topologice optimizate tind să conducă la o geometrie complexă care nu poate fi fabricată prin metode convenționale de fabricație, cum ar fi turnarea și formarea, fără modificări. Prin urmare, metodele de fabricație au un efect semnificativ asupra proiectării ușoare.

Dezvoltarea unei tehnologii avansate de fabricație, cum ar fi fabricarea aditivă (AM), fabricarea spumei metalice și formarea avansată a metalelor, ar putea extinde semnificativ flexibilitatea designului de greutate redusă, atât în ​​selectarea materialelor, cât și în optimizarea structurală.

AM a fost inițial dezvoltat pentru a produce prototipuri rapid și a devenit acum un instrument standard de fabricație. Deși avantajele AM ​​atrag atenția, există provocări pentru AM de a concura cu metodele de fabricație convenționale, inclusiv calitatea componentelor fabricate, procesele care consumă mult timp, materiile prime relativ scumpe și stabilirea de standarde, cerințe de calificare și certificare.

Concluzii

Selectarea materialelor pentru un sistem aerospațial se bazează pe condițiile de funcționare ale componentei sau sistemului specific - cum ar fi condițiile de încărcare, temperaturile de funcționare, umiditatea, condițiile de coroziune și zgomotul - în combinație cu factori economici și de reglementare; de exemplu, aripile susțin în principal îndoirea în timpul serviciului, precum și tensiunea, torsiunea, vibrațiile și oboseala. Prin urmare, principalele constrângeri pentru materialele pentru aripi sunt rigiditatea, rezistența la tracțiune, rezistența la compresiune, rezistența la flambaj și vibrațiile. Compozitele, cum ar fi CFRP-urile și GLARE-urile, au de obicei rezistență și rigiditate specifice mult mai mari decât metalele, ceea ce face din compozite o alegere atractivă pentru proiectarea cu greutate redusă pentru multe componente și sisteme aerospațiale; cu toate acestea, metalele au avantajele ușurinței de fabricare și a disponibilității, precum și a costurilor mult mai mici, făcându-le încă utilizate pe scară largă în multe aplicații aerospațiale.

Greutatea redusă reprezintă o modalitate eficientă de a realiza reducerea consumului de energie și îmbunătățirea performanței. Acest concept a fost bine acceptat și utilizat în multe industrii, în special în proiectarea componentelor aerospațiale și a sistemului. Proiectarea greutății implică utilizarea unui material ușor avansat și optimizarea structurală numerică, permise prin metode avansate de fabricație.

Acest articol a fost scris de L. Zhu, N. Li și P.R.N. Copiii Colegiului Imperial din Londra, Marea Britanie. Aflați mai multe aici .

Revista Tech Briefs

Acest articol a apărut pentru prima dată în numărul din martie 2019 al revistei Tech Briefs.