Verbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt

Gewicht ist alles, wenn es um Maschinen geht, die schwerer als Luft sind, und Designer haben sich seit Menschengedenken kontinuierlich bemüht, das Verhältnis von Auftrieb zu Gewicht zu verbessern. Verbundwerkstoffe haben eine wichtige Rolle bei der Gewichtsreduzierung gespielt. Heute werden drei Haupttypen verwendet: kohlefaserverstärktes, glas- und aramidverstärktes Epoxidharz; es gibt andere, wie z. B. borverstärkt (selbst ein auf einem Wolframkern gebildeter Verbundstoff).

Seit 1987 hat sich der Einsatz von Verbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrt alle fünf Jahre verdoppelt, und es erscheinen regelmäßig neue Verbundwerkstoffe.

Verwendet

Verbundwerkstoffe sind vielseitig und werden sowohl für strukturelle Anwendungen als auch für Bauteile in allen Flugzeugen und Raumfahrzeugen verwendet, von Heißluftballongondeln und -seglern 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 unterschiedlichen Bereichen des Flugzeugbaus eingesetzt. Kohlefaser hat zum Beispiel ein einzigartiges Ermüdungsverhalten und ist spröde, wie Rolls-Royce in den 1960er Jahren entdeckte, als das innovative Strahltriebwerk RB211 mit Kohlefaser-Kompressorschaufeln aufgrund von Vogelschlägen katastrophal ausfiel.

Während ein Aluminiumflügel eine bekannte Metallermüdungslebensdauer hat, sind Kohlefasern viel weniger vorhersehbar (verbessern sich jedoch jeden Tag dramatisch), aber Bor funktioniert gut (wie im Flügel des Advanced Tactical Fighter). Aramidfasern (Kevlar ist eine bekannte Handelsmarke von DuPont) werden häufig in Form von Wabenplatten verwendet, um sehr steife, sehr leichte Schottwände, Kraftstofftanks und Fußböden zu konstruieren. Sie werden auch in Front- und Heckflügelkomponenten eingesetzt.

In einem Versuchsprogramm hat Boeing 1.500 Verbundteile erfolgreich eingesetzt, 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 Carbonfaser die am weitesten verbreitete Verbundfaser für Luft- und Raumfahrtanwendungen.

Vorteile

Wir haben bereits einige davon angesprochen, zum Beispiel Gewichtsersparnis, aber hier ist eine vollständige Liste:

• Gewichtsreduzierung - Einsparungen im Bereich von 20% -50% werden häufig angegeben.
• Mit automatisierten Auflegemaschinen und Rotationsformverfahren lassen sich komplexe Bauteile leicht zusammenbauen.
• Monocoque-Formteile (einschalig) bieten eine höhere Festigkeit bei einem viel geringeren Gewicht.
• Die mechanischen Eigenschaften können durch "Lay-up" -Design mit sich verjüngenden Stärken des Verstärkungsstoffs 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 - verringert beispielsweise unbeabsichtigte Schäden an den Motorpylonen, die Motorsteuerungen und Kraftstoffleitungen tragen.
• Eine hohe Schadenstoleranz verbessert die Überlebensfähigkeit von Unfällen.
• "Galvanische" - elektrische - Korrosionsprobleme, die auftreten würden, wenn zwei verschiedene Metalle in Kontakt kommen (insbesondere in feuchten Meeresumgebungen), werden vermieden. (Hier spielt nichtleitendes Fiberglas eine Rolle.)
• Kombinationsermüdungs- / Korrosionsprobleme sind praktisch ausgeschlossen.

Zukunftsausblick

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

Über die täglichen Betriebskosten hinaus können die Flugzeugwartungsprogramme durch Reduzierung der Anzahl der Bauteile und Reduzierung der Korrosion vereinfacht werden. Der Wettbewerbscharakter des Flugzeugbaugeschäfts stellt sicher, dass alle Möglichkeiten zur Senkung der Betriebskosten nach Möglichkeit ausgeschöpft und genutzt werden.

Auch im militärischen Bereich besteht ein ständiger Wettbewerb mit dem Druck, die Nutzlast und Reichweite, die Flugeigenschaften und die Überlebensfähigkeit nicht nur von Flugzeugen, sondern auch von Raketen zu erhöhen.

Die Verbundwerkstofftechnologie schreitet weiter voran, und die Einführung neuer Arten wie Basalt- und Kohlenstoffnanoröhrenformen wird die Verwendung von Verbundwerkstoffen mit Sicherheit beschleunigen und erweitern.

Wenn es um Luft- und Raumfahrt geht, sind Verbundwerkstoffe hier, um zu bleiben.