Greutate redusă în proiectarea componentelor și sistemelor aerospațiale - Briefuri tehnice
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.
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.