Wissenschaft

Verbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt

Gewicht ist alles, wenn es um Maschinen geht, die schwerer als Luft sind, und Designer haben sich kontinuierlich bemüht, das Verhältnis von Auftrieb zu Gewicht zu verbessern, seit der Mensch zum ersten Mal in die Luft ging. Verbundwerkstoffe haben eine wichtige Rolle bei der Gewichtsreduzierung gespielt, und heute werden drei Haupttypen verwendet: kohlefaser-, glas- und aramidverstärktes Epoxid; Es gibt andere, wie z. B. borverstärkt (selbst ein Verbundwerkstoff, der auf einem Wolframkern gebildet wird).

Seit 1987 hat sich die Verwendung von Verbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrt alle fünf Jahre verdoppelt, und es treten regelmäßig neue Verbundwerkstoffe auf.

 

Verwendet

Verbundwerkstoffe sind vielseitig einsetzbar und werden sowohl für strukturelle Anwendungen als auch für Komponenten in allen Flugzeugen und Raumfahrzeugen eingesetzt, von Heißluftballongondeln und Segelflugzeugen bis hin zu Passagierflugzeugen, Kampfflugzeugen und dem Space Shuttle. Die Anwendungen reichen von kompletten Flugzeugen wie dem Beech Starship bis hin zu Flügelbaugruppen, Hubschrauberrotorblättern, Propellern, Sitzen und Instrumentengehäusen.

Die Typen haben unterschiedliche mechanische Eigenschaften und werden in verschiedenen Bereichen des Flugzeugbaus eingesetzt. Kohlefaser zum Beispiel hat ein einzigartiges Ermüdungsverhalten und ist spröde, wie Rolls-Royce in den 1960er Jahren entdeckte, als das innovative RB211-Strahltriebwerk mit Kohlefaser-Kompressorschaufeln aufgrund von Vogelschlägen katastrophal ausfiel.

Während ein Aluminiumflügel eine bekannte Lebensdauer bei Metallermüdung aufweist, ist Kohlefaser viel weniger vorhersehbar (verbessert sich jedoch jeden Tag dramatisch), aber Bor funktioniert gut (wie im Flügel des Advanced Tactical Fighter). Aramidfasern (‚Kevlar‘ ist eine bekannte Marke von DuPont) werden häufig in Wabenform verwendet, um sehr steife, sehr leichte Schotte, Kraftstofftanks und Böden zu konstruieren. Sie werden auch in Flügelkomponenten mit Vorder- und Hinterkante eingesetzt.

In einem experimentellen Programm setzte Boeing erfolgreich 1.500 Verbundteile ein. um 11.000 Metallkomponenten in einem Hubschrauber zu ersetzen. Die Verwendung von Bauteilen auf Verbundbasis anstelle von Metall im Rahmen von Wartungszyklen nimmt in der kommerziellen Luftfahrt und in der Freizeitluftfahrt rasch zu.

Insgesamt ist Kohlefaser die am weitesten verbreitete Verbundfaser in der Luft- und Raumfahrt.

 

Vorteile

Wir haben bereits einige angesprochen, wie z. B. Gewichtsersparnis, aber hier ist eine vollständige Liste:

    • Gewichtsreduzierung – Einsparungen im Bereich von 20% bis 50% werden häufig angegeben.
    • Es ist einfach, komplexe Komponenten mit automatisierten Aufbaumaschinen und Rotationsformprozessen zusammenzubauen.
    • Monocoque-Formstrukturen („Single-Shell“) bieten eine höhere Festigkeit bei einem viel geringeren Gewicht.
    • Die mechanischen Eigenschaften können durch „Lay-up“ -Design mit sich verjüngenden Dicken des Verstärkungstuchs und der Stofforientierung angepasst werden.
    • Die thermische Stabilität von Verbundwerkstoffen bedeutet, dass sie sich bei einer Temperaturänderung nicht übermäßig ausdehnen / zusammenziehen (z. B. eine Landebahn von 90 ° F auf -67 ° F bei 35.000 Fuß in wenigen Minuten).
    • Hohe Schlagfestigkeit – Kevlar (Aramid) -Panzerung schützt auch Flugzeuge – reduziert beispielsweise versehentliche Schäden an den Motormasten, die Motorsteuerungen und Kraftstoffleitungen tragen.
    • Eine hohe Schadenstoleranz verbessert die Überlebensfähigkeit von Unfällen.
    • ‚Galvanische‘ – elektrische – Korrosionsprobleme, die auftreten würden, wenn zwei unterschiedliche Metalle in Kontakt kommen (insbesondere in feuchten Meeresumgebungen), werden vermieden. (Hier spielt nichtleitendes Fiberglas eine Rolle.)

 

  • Kombinationsermüdungs- / Korrosionsprobleme werden praktisch beseitigt.

 

Zukunftsaussichten

Angesichts der ständig steigenden Treibstoffkosten und der Lobbyarbeit in der Umwelt steht das kommerzielle Fliegen unter anhaltendem Druck, die Leistung zu verbessern, und die Gewichtsreduzierung ist ein Schlüsselfaktor in der Gleichung.

Über die täglichen Betriebskosten hinaus können die Flugzeugwartungsprogramme durch Reduzierung der Komponentenanzahl und Korrosionsreduzierung vereinfacht werden. Der Wettbewerbscharakter des Flugzeugbaugeschäfts stellt sicher, dass jede Möglichkeit zur Senkung der Betriebskosten nach Möglichkeit erkundet und genutzt wird.

Wettbewerb besteht auch im Militär, mit ständigem Druck, Nutzlast und Reichweite, Flugleistungsmerkmale und Überlebensfähigkeit nicht nur von Flugzeugen, sondern auch von Raketen zu erhöhen.

Die Verbundtechnologie schreitet weiter voran, und das Aufkommen neuer Typen wie Basalt- und Kohlenstoffnanoröhrenformen wird die Verwendung von Verbundwerkstoffen mit Sicherheit beschleunigen und erweitern.

Wenn es um Luft- und Raumfahrt geht, bleiben Verbundwerkstoffe erhalten.

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