Composieten in de ruimtevaart

Gewicht is alles als het gaat om machines die zwaarder zijn dan lucht, en ontwerpers hebben er continu naar gestreefd om de lift-gewichtsverhoudingen te verbeteren sinds de mens voor het eerst de lucht in ging. Composietmaterialen hebben een belangrijke rol gespeeld bij het verminderen van het gewicht en tegenwoordig worden er drie hoofdtypen gebruikt: koolstofvezel-, glas- en aramideversterkte epoxy .; er zijn anderen, zoals boorversterkt (zelf een composiet gevormd op een wolfraamkern).

Sinds 1987 is het gebruik van composieten in de ruimtevaart om de vijf jaar verdubbeld en verschijnen er regelmatig nieuwe composieten.

Toepassingen

Composieten zijn veelzijdig, gebruikt voor zowel structurele toepassingen als componenten, in alle vliegtuigen en ruimtevaartuigen, van luchtballon gondels en zweefvliegtuigen tot passagiersvliegtuigen, gevechtsvliegtuigen en de Space Shuttle. Toepassingen variëren van complete vliegtuigen zoals het Beech Starship tot vleugelassemblages, rotorbladen van helikopters, propellers, stoelen en instrumentbehuizingen.

De types hebben verschillende mechanische eigenschappen en worden gebruikt in verschillende gebieden van vliegtuigbouw. Koolstofvezel bijvoorbeeld heeft een uniek vermoeiingsgedrag en is bros, zoals Rolls-Royce ontdekte in de jaren 1960 toen de innovatieve RB211 straalmotor met koolstofvezelcompressorbladen catastrofaal faalde vanwege vogelaanvallen.

Terwijl een aluminium vleugel een bekende levensduur van metaalmoeheid heeft, is koolstofvezel veel minder voorspelbaar (maar verbetert elke dag dramatisch), maar boor werkt goed (zoals in de vleugel van de Advanced Tactical Fighter). Aramide vezels ('Kevlar' is een bekend merk dat eigendom is van DuPont) worden veel gebruikt in honingraatplaatvorm om zeer stijve, zeer lichte schotten, brandstoftanks en vloeren te bouwen. Ze worden ook gebruikt in toonaangevende en achterste vleugelcomponenten.

In een experimenteel programma gebruikte Boeing met succes 1500 composietonderdelen om 11.000 metalen componenten in een helikopter te vervangen. Het gebruik van op composiet gebaseerde componenten in plaats van metaal als onderdeel van onderhoudscycli groeit snel in de commerciële en vrijetijdsluchtvaart.

Over het algemeen is koolstofvezel de meest gebruikte composietvezel in ruimtevaarttoepassingen.

voordelen

We hebben er al enkele besproken, zoals gewichtsbesparing, maar hier is een volledige lijst:

• Gewichtsreductie - besparingen tussen 20% en 50% worden vaak vermeld.
• Het is eenvoudig om complexe componenten te assembleren met behulp van geautomatiseerde lay-outmachines en rotatiegietprocessen.
• Gegoten constructies uit Monocoque ('single-shell') leveren een hogere sterkte bij een veel lager gewicht.
• Mechanische eigenschappen kunnen worden aangepast door het 'lay-up'-ontwerp, met taps toelopende dikten van versterkingsdoek en doekoriëntatie.
• Thermische stabiliteit van composieten betekent dat ze niet overmatig uitzetten / krimpen bij een verandering in temperatuur (bijvoorbeeld een landingsbaan van 90 ° F tot -67 ° F op 35.000 voet in enkele minuten).
• Hoge slagvastheid - Kevlar (aramide) pantser beschermt ook vliegtuigen - bijvoorbeeld om onbedoelde schade aan de motormasten te verminderen die motorbedieningen en brandstofleidingen dragen.
• Hoge schadetolerantie verbetert de overlevingskansen van ongevallen.
• 'Galvanische' - elektrische - corrosieproblemen die zouden optreden wanneer twee ongelijksoortige metalen in contact zijn (vooral in vochtige maritieme omgevingen) worden vermeden. (Hier speelt niet-geleidende glasvezel een rol.)
• Combinatie vermoeidheid / corrosieproblemen worden vrijwel geëlimineerd.

Toekomstblik

Met steeds stijgende brandstofkosten en lobbyen bij het milieu staat commercieel vliegen onder voortdurende druk om de prestaties te verbeteren en gewichtsreductie is een sleutelfactor.

Naast de dagelijkse bedrijfskosten kunnen de onderhoudsprogramma's van het vliegtuig worden vereenvoudigd door vermindering van het aantal componenten en vermindering van corrosie. Het competitieve karakter van de vliegtuigbouw zorgt ervoor dat elke mogelijkheid om de exploitatiekosten te verlagen wordt onderzocht en waar mogelijk benut.

Er is ook concurrentie in het leger, met voortdurende druk om de lading en het bereik, de vluchtprestatiekenmerken en 'overlevingsvermogen' te vergroten, niet alleen van vliegtuigen maar ook van raketten.

Composiettechnologie blijft zich ontwikkelen, en de komst van nieuwe typen zoals basalt- en koolstofnanobuisvormen zal het gebruik van composiet zeker versnellen en uitbreiden.

Als het gaat om ruimtevaart, zijn composietmaterialen hier om te blijven.