Легка вага в конструкції аерокосмічних компонентів та систем - Технічні висновки
Полегшений дизайн - це широко досліджена та застосовувана концепція у багатьох галузях промисловості, особливо в аерокосмічній галузі, і асоціюється з екологічною концепцією авіації. Внесок авіації у явища глобального потепління та забруднення навколишнього середовища призвів до постійних зусиль щодо зменшення авіаційних викидів. Підходи до досягнення цієї мети включають підвищення енергоефективності. Ефективним способом підвищення енергоефективності та зменшення споживання палива є зменшення маси літака, оскільки менша маса вимагає меншої сили підйому та тяги під час польоту. Наприклад, для Boeing 787 економія ваги на 20% призвела до поліпшення паливної ефективності на 10-12%. На додаток до зменшення вуглецевого сліду, поліпшення експлуатаційних характеристик, такі як кращий прискорення, вища міцність та жорсткість конструкції, а також кращі показники безпеки також можуть бути досягнуті завдяки легкій конструкції.
Полегшена оптимізація безпілотного літального апарата (БПЛА), що працює на сонячних батареях, є прикладом використання як чистої енергії, так і полегшених конструкцій для досягнення зеленої авіаційної експлуатації. Поточні конструкції БПЛА, що працюють на сонячних батареях, стикаються з такими проблемами, як недостатня щільність енергії та жорсткість крила. Легка конструкція необхідна для надлегкої авіації, що забезпечує більшу тривалість польоту.
Принцип полегшеної конструкції полягає у використанні меншої кількості матеріалів з меншою щільністю, забезпечуючи однакові або покращені технічні характеристики. Типовим підходом для досягнення полегшеної конструкції аерокосмічних компонентів є нанесення передових легких матеріалів на чисельно оптимізовані конструкції, які можуть бути виготовлені за допомогою відповідних виробничих методів. Таким чином, застосування легких матеріалів може ефективно досягти як зниження ваги, так і підвищення продуктивності. Хоча металеві матеріали - особливо алюмінієві сплави - як і раніше є домінуючими матеріалами в аерокосмічному застосуванні, композиційні матеріали викликають все більший інтерес і конкурують з алюмінієвими сплавами у багатьох нових застосуваннях літаків.
Оптимізація конструкцій - ще один ефективний спосіб досягнення легкої ваги шляхом розподілу матеріалів для зменшення використання матеріалів та підвищення структурних характеристик, таких як більша міцність і жорсткість та кращі вібраційні характеристики. Звичайними методами структурної оптимізації є розмір, форма та топологія. Технологічність є вирішальним обмеженням як при виборі матеріалів, так і при оптимізації конструкції. Розвиток передових технологій виробництва, таких як виробництво добавок, пінопласт та вдосконалене формування металів, не тільки дозволяє застосовувати передові матеріали, але послаблює обмеження, підвищуючи гнучкість багатомасштабної структурної оптимізації.
Рисунок 1. Полегшені приклади конструкції: (a) пілотажний літак SAW Revo, (b) висотний псевдосупутниковий БПЛА Zephyr, (c) концепція майбутньої моделі літака Airbus та (d) концепція літака з крилевим крилом.
Багато прикладів полегшеної конструкції успішно застосовано при проектуванні легких літальних апаратів. Малюнок 1 (а) ілюструє концепт-літак SAW Revo (виробництва Orange Aircraft), який представляє собою надлегкий пілотажний літак з армованими вуглецевим волокном композитними крилами та топологічно оптимізованим фермоподібним фюзеляжем. Порожня вага цього 6-метрового літака з розмахом крил становить 177 кг. На малюнку 1 (b) показаний БПЛА на висоті, псевдосупутник, що працює на сонячних батареях від Airbus. В даний час Zephyr 7 має світовий рекорд за найбільшою тривалістю абсолютного польоту (336 годин, 22 хвилини, 8 секунд) та найбільшою висотою польоту (21 562 м) для БПЛА, частково завдяки підвищенню енергоефективності за рахунок полегшення. На малюнку 1 (в) показана модель майбутнього концептуального полегшеного літака на 2050 рік від Airbus, натхненного скелетом птахів. Малюнок 1 (d) демонструє концепцію літака з криловидним крилом, де в конструкції крила застосовується оптимізація форми. Ефективність конструкції можна підвищити, використовуючи конструкцію крила коробки; більша жорсткість та менша зусилля опору зумовлені крилом коробки порівняно із звичайними конструкціями крила.
Вибір легких матеріалів
Вибір аерокосмічних матеріалів має вирішальне значення при проектуванні аерокосмічних компонентів, оскільки він впливає на багато аспектів експлуатаційних характеристик літальних апаратів, починаючи від фази проектування і закінчуючи утилізацією, включаючи структурну ефективність, експлуатаційні характеристики, корисне навантаження, енергоспоживання, безпеку та надійність, вартість життєвого циклу, можливість переробки та одноразового використання . До критичних вимог до аерокосмічних конструкційних матеріалів належать такі механічні, фізичні та хімічні властивості, як висока міцність, жорсткість, довговічність до втоми, стійкість до пошкоджень, низька щільність, висока термостійкість, висока корозійна та окисна стійкість, а також комерційні критерії, такі як вартість, обслуговування та технологічність. Дослідження показали, що найефективнішим способом підвищення структурної ефективності є зменшення щільності (приблизно в 3 - 5 разів ефективніше порівняно зі збільшенням жорсткості або міцності), тобто використання легких матеріалів.
Рисунок 2. Розподіл матеріалів для вибору продуктів Boeing.
Найбільш часто використовуваними комерційними аерокосмічними конструкційними матеріалами є алюмінієві сплави, титанові сплави, високоміцні сталі та композити, що, як правило, становить понад 90% ваги конструкцій конструкцій. З 20-х років до кінця століття метал - завдяки своїй високій міцності та жорсткості, особливо алюмінієвому сплаву - був домінуючим матеріалом у виробництві планера, завдяки безпеці та іншим заходам польотних характеристик, що визначали дизайнерські рішення літаків. Легкі алюмінієві сплави були провідними авіаційними конструкційними матеріалами - на них припадало 70–80% ваги більшості літальних конструкцій літаків до 2000 року - і досі відіграють важливу роль. З середини 1960-х та 1970-х років частка композитів, що використовуються в аерокосмічних структурах, зросла завдяки розробці високоефективних композитів. Рисунок 2 ілюструє розподіл матеріалів для деяких продуктів Boeing.
Алюмінієві сплави. Хоча високоефективні композити, такі як вуглецеве волокно, викликають все більший інтерес, алюмінієві сплави все ще становлять значну частку аерокосмічної структурної ваги. Порівняно висока питома міцність і жорсткість, хороша пластичність і корозійна стійкість, низька ціна, а також відмінна технологічність і надійність роблять вдосконалені алюмінієві сплави популярним вибором легких матеріалів у багатьох аерокосмічних конструкційних застосуваннях, наприклад шкіра фюзеляжу, шкіра верхніх і нижніх крил та стрингери крил. Розвиток технології термічної обробки забезпечує високоміцні алюмінієві сплави, які залишаються конкурентоспроможними для передових композитів у багатьох аерокосмічних програмах. Алюмінієві сплави можуть запропонувати широкий діапазон властивостей матеріалу, що відповідає різноманітним вимогам до застосування, шляхом регулювання складу та методів термічної обробки.