Trọng lượng là tất cả khi nói đến những cỗ máy nặng hơn không khí và các nhà thiết kế đã liên tục cố gắng cải thiện tỷ lệ lực nâng trên trọng lượng kể từ lần đầu tiên con người bay. Vật liệu composite đã đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm trọng lượng, và ngày nay có ba loại chính được sử dụng: carbon, thủy tinh và epoxy gia cố bằng sợi aramid; có những loại khác, chẳng hạn như được gia cố bằng boron (bản thân nó là một hợp chất được hình thành trên lõi vonfram).
Kể từ năm 1987, việc sử dụng vật liệu composite trong ngành hàng không vũ trụ đã tăng gấp đôi cứ sau 5 năm và các vật liệu composite mới xuất hiện thường xuyên.
Các ứng dụng
Vật liệu tổng hợp rất linh hoạt và được sử dụng cho cả ứng dụng cấu trúc và thành phần, trong tất cả các loại máy bay và tàu vũ trụ, từ vỏ bọc và tàu lượn khinh khí cầu cho đến máy bay chở khách, máy bay chiến đấu và tàu con thoi. Các ứng dụng bao gồm từ máy bay hoàn chỉnh như Beech Starship đến cụm cánh, cánh quạt máy bay trực thăng, cánh quạt, ghế ngồi và vỏ dụng cụ.
Các loại có tính chất cơ học khác nhau và được sử dụng trong các lĩnh vực chế tạo máy bay khác nhau. Ví dụ, sợi carbon có hành vi mỏi đặc biệt và dễ gãy, như Rolls-Royce đã phát hiện ra vào những năm 1960 khi động cơ phản lực RB211 cải tiến với cánh máy nén bằng sợi carbon bị hỏng nặng do tác động của chim.
Trong khi cánh nhôm có tuổi thọ mỏi kim loại đã biết, sợi carbon khó dự đoán hơn nhiều (nhưng cải thiện đáng kể theo ngày), nhưng boron hoạt động tốt (như trên cánh của máy bay chiến đấu tiên tiến). Sợi Aramid (‘Kevlar’ là một thương hiệu nổi tiếng thuộc sở hữu của DuPont) được sử dụng rộng rãi ở dạng tổ ong để xây dựng các vách ngăn, thùng nhiên liệu và sàn rất nhẹ và rất cứng. Chúng cũng được sử dụng trên các thành phần cánh ở mép đầu và mép sau.
Trong một chương trình thử nghiệm, Boeing đã sử dụng thành công 1.500 bộ phận composite để thay thế 11.000 bộ phận kim loại trên một chiếc trực thăng. Việc sử dụng các thành phần composite thay vì kim loại như một phần của chu kỳ bảo trì đang phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực hàng không thương mại và giải trí.
Nói chung, sợi carbon là sợi tổng hợp được sử dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng hàng không vũ trụ.
Thuận lợi
Chúng tôi đã đề cập đến một số, chẳng hạn như tiết kiệm trọng lượng, nhưng đây là danh sách đầy đủ:
- Giảm trọng lượng – Tiết kiệm trong khoảng từ 20% đến 50% thường được trích dẫn.
- Thật dễ dàng để lắp ráp các thành phần phức tạp bằng cách sử dụng máy móc định vị tự động và quy trình đúc quay.
- Các cấu trúc đúc nguyên khối (‘vỏ đơn’) mang lại sức mạnh lớn hơn với trọng lượng nhẹ hơn nhiều.
- Các đặc tính cơ học có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng thiết kế ‘cuộn’, với việc giảm độ dày của vải gia cố và hướng vải.
- Tính ổn định nhiệt của vật liệu tổng hợp có nghĩa là chúng không giãn ra/co lại quá mức khi nhiệt độ thay đổi (ví dụ: đường chạy từ 90°F đến -67°F ở độ cao 35.000 feet chỉ trong vài phút).
- Khả năng chống va đập cao: Áo giáp Kevlar (aramid) cũng bảo vệ máy bay, chẳng hạn, nó làm giảm thiệt hại do tai nạn đối với giá treo động cơ mang bộ điều khiển động cơ và đường dẫn nhiên liệu.
- Khả năng chịu sát thương cao cải thiện khả năng sống sót trong trường hợp xảy ra tai nạn.
- ‘Galvanic’ – điện – vấn đề ăn mòn sẽ xảy ra khi hai kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau (đặc biệt là trong môi trường biển ẩm ướt). (Ở đây sợi thủy tinh không dẫn điện đóng một vai trò nào đó.)
- Các vấn đề mệt mỏi/ăn mòn kết hợp hầu như được loại bỏ.
triển vọng tới tương lai
Với chi phí nhiên liệu ngày càng tăng và hoạt động vận động hành lang vì môi trường , các chuyến bay thương mại luôn chịu áp lực phải cải thiện hiệu suất và giảm trọng lượng là yếu tố chính trong phương trình.
Ngoài chi phí vận hành hàng ngày, các chương trình bảo dưỡng máy bay có thể được đơn giản hóa bằng cách giảm số lượng các bộ phận và giảm ăn mòn. Bản chất cạnh tranh của ngành kinh doanh chế tạo máy bay đảm bảo rằng mọi cơ hội để giảm chi phí vận hành đều được khám phá và khai thác bất cứ khi nào có thể.
Cạnh tranh cũng tồn tại trong quân đội, với áp lực liên tục tăng tải trọng và phạm vi, đặc tính hiệu suất chuyến bay và ‘khả năng sống sót’, không chỉ của máy bay mà còn của tên lửa.
Công nghệ composite tiếp tục phát triển và sự ra đời của các loại mới, chẳng hạn như dạng bazan và ống nano carbon, chắc chắn sẽ đẩy nhanh và mở rộng việc sử dụng composite.
Khi nói đến ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, vật liệu composite luôn ở đây.
