יישומים של מבני סנדוויץ' מרוכבים של חלת דבש בכלי טיס אזרחיים

תַקצִיר:מבני סנדוויץ' מרוכבים של חלת דבש משמשים במספר רב של יישומים בתחום המטוסים האזרחיים, המתאפיינים בחוזק גבוה, קשיחות ספציפית גבוהה, צפיפות נמוכה, תכונות דחיסה וכפיפות טובות וכו' חלקי היישום כוללים גוף גוף, כיסוי מנוע, פייר, פתח, כיסוי אנטנה, קצה מוביל וכן הלאה. המספר הרב של יישומים של מבנה כריך חלת דבש מפחית באופן משמעותי את משקל מבנה המטוס. עם התקדמות תהליך הדפוס ושיפור תכונות החומר, מבנה סנדוויץ' חלת דבש מיושם בהדרגה על הרצפה ועל מבנים נושאים עיקריים אחרים. מאמר זה מנתח ראשית את התקדמות המחקר ואת תהליך הפיתוח של מבני סנדוויץ' חלת דבש. שנית, זה מסדר את היישום של מבני סנדוויץ' חלת דבש על רכיבי מטוס טיפוסיים. לבסוף, הוא מציג את המצב הנוכחי של היישום של מבנה כריך חלת דבש על רצפת מטוסים אזרחיים.

001 מבוא

עם ההתפתחות החברתית-כלכלית, קיימות שתי משימות העומדות בפני תחום התחבורה, במיוחד התחבורה האווירית: הפחתת המשקל הכוללת של מבנים ונושא ההטבות הקשורות ישירות להפחתת משקל - הפחתת צריכת הדלק. משקל מבני וצריכת דלק חשובים במיוחד בתחום התעופה. נכון לעכשיו, מבני סנדוויץ' חלת דבש נמצאים בשימוש נרחב במטוסים, פתחים, כנפיים, זנבות, רצפות, יריעות וכיסוי אנטנות בתעשיית התעופה. מבני סנדוויץ' חלת דבש מציעים יחס חוזק-ל-טוב טוב. בהשוואה לעורות מרוכבים, הם מתפקדים טוב יותר בעומסים רוחביים וכפיפות בשל צורתם המבנית, המורכבת מליבה עבה וקלת משקל מוקפת בשתי שכבות דקות וקשיחות.

המספר הרב של יישומים של מבני סנדוויץ' חלת דבש הפחית באופן משמעותי את משקלם של מבני מטוסים, הודות לתכונות הדחיסה והכיפוף הטובות שלהם, עד כדי כך שמבני סנדוויץ' חלת דבש נעים בהדרגה לעבר מבנים נושאים ראשיים כגון רצפות. התוכן של מאמר זה מחולק בעיקר לשלושה חלקים: ראשית, הוא מנתח את התקדמות המחקר ואת תהליך הפיתוח של מבנה כריך חלת דבש; שנית, הוא משלב את היישום של מבנה סנדוויץ' חלת דבש על רכיבי מטוס טיפוסיים עם הדגמים המשמשים כיום; לבסוף, הוא מציג את המצב הנוכחי של היישום של מבנה כריך חלת דבש על רצפות של מטוסים אזרחיים.

002 מבנה סנדוויץ' חלת דבש

מבנה סנדוויץ' חלת הדבש, שמקורו לראשונה בביוניקה, מאופיין בחוזק ספציפי גבוה, קשיחות ספציפית גבוהה ומשקל קל בהשוואה לאותו סוג של חומר מוצק, ולכן נעשה שימוש נרחב בתעופה, תחבורה ותחומים אחרים. מבנה סנדוויץ' חלת הדבש המרוכב יכול לשפר ביעילות את קשיחות הכיפוף ולשפר את היכולת לעמוד ברגעי כיפוף ולחצים עם עלייה קטנה מאוד במשקל, מה שהופך אותו למבנה קל משקל אידיאלי יותר לתעופה.

מבני סנדוויץ' מרוכבים של חלת דבש מורכבים משלושה מרכיבים: לוחות, ליבת חלת דבש ודבק.

(1) פאנל. הפאנל הוא החלק העיקרי- הנושא את העומס של מבנה הסנדוויץ'. בהשוואה לחומר הליבה, חומר הפנל מאופיין בצפיפות גבוהה, מודולוס גבוה וחוזק גבוה. חומר לוח מרוכב הוא בדרך כלל סגסוגת אלומיניום, סגסוגת טיטניום, פלסטיק מחוזק בסיבי זכוכית וחומרים אחרים. רוב הסרטים החד-כיווניים או חומרי הבד של סיבי פחמן או סיבי זכוכית משמשים כיום במבני תעופה וחלל.

(2) ליבת חלת דבש. הביצועים של מבנה כריך חלת הדבש והגיאומטריה של חלת הדבש קשורים לחומר של ליבת חלת הדבש. באופן כללי, ליבות חלת דבש זמינות כלבת חלת דבש מאלומיניום, ליבת חלת דבש ארמיד, ליבת חלת דבש פיברגלס וכו' בהתאם לחומר. חלת דבש אראמיד מחולקת למטא- חלת דבש ארמיד ופארא- חלת דבש ארמיד. חלת דבש מזו-ארמיד היא מטא-ארמיד המתקבלת על ידי עיבוי רב פנים או עיבוי תמיסת-בטמפרטורה נמוכה של m-toluene dicarbonyl chloride (MDCL) ו-m-phenylenediamine (MPA). הנפוץ ביותר בשוק הוא המטא-ארמיד שהומצא לראשונה והוכנס לשימוש על ידי דופונט בשנות ה-60. Para-חלת דבש ארמיד היא p-phenylenediamine ו-p-phenylenedicarbonyl chloride polycondensation כדי לקבל para-aramid, שם מסחרי Kevlar. ליבת חלת הדבש הארמידית הקיימת היא בעיקר מטא-ארמיד, והמחקר של פארא-ארמיד מועט מאוד. דגמי היישום העיקריים מוצגים בטבלה 1. חלת דבש מנייר ארמיד (חלת דבש NOMEX) עשויה מנייר ארמיד הלח בשרף פנולי. בהשוואה לחלת אלומיניום, חלת דבש ארמיד עמידה הרבה יותר בפני חוסר יציבות מקומית מכיוון שתא חלת הדבש של חלת ארמיד עבה יותר מזה של חלת דבש אלומיניום. הכנת חלת הדבש של Nomex מורכבת מתשעה תהליכים: הדבקה של נייר ארמיד, למינציה, לחיצה, חיתוך, חיתוך, מתיחה, מתיחה. חברת AVIC Composites Co., Ltd שיפרה את תהליך הדבקת הטבילה של חלת דבש ארמיד, סיכמה את פרמטרי התהליך כגון עובי התא והנייר, והסיקה את הנוסחה האמפירית לבקרת צפיפות. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. משתמשת בנייר ארמיד ביתי להכנת חלת דבש, תכונות דחיסה וגזירה הצליחו לעמוד בדרישות של HB5435-89 ו-BMS8-124, תכונות דיאלקטריות ומעכבות בעירה עומדות גם הן בדרישות הסטנדרטיות. מיישי, חברת בת של Yantai Spandex Group Co., Ltd הסינית הכינה סוגים שונים של ליבות חלת דבש מנייר המטא-ארמיד שלה באמצעות סדרה של תהליכים בשלים. התנגדות הדחיסה במטוס ועמידות הגזירה של מבנה הליבה והכריך שלו בטמפרטורת החדר מסוגלות להגיע לערכי האינדקס בתקן בואינג BMS8-124, ויכולות לעמוד בדרישות השימוש של תכונות מכניות.

כרטיסייה.1 דגמי יישום עיקריים מסוג חלת דבש

(3) דבק. הדבק המשמש למבני סנדוויץ' חלת דבש תעופה הוא בדרך כלל דבק מבני. דבקים מבניים הם כאלה שיכולים לעמוד בכוח ניכר בפרק זמן שנקבע מראש, בסביבה בה הם משמשים, ובעלי חוזק וחיי שירות עמידים התואמים את זה של החפץ אליו הם מודבקים. על פי מטריצת השרף מחולקת בדרך כלל לשלוש קטגוריות עיקריות. לשרף האפוקסי הראשון, אפוקסי, יש את היתרונות של ביצוע מעולה, תקופת יישום ארוכה ועמידות בטמפרטורה הגבוהה ביותר של עד 232 מעלות; הקטגוריה השנייה היא הביסמלימיד, שיכול להגיע לטמפרטורות של יותר מ-232 מעלות, ומשמש בעיקר במטוסים צבאיים עם טמפרטורות גבוהות יותר; השלישי הוא סוג אסטר ציאנו-חומצה, בעל עמידות מצוינת לטמפרטורה, דיאלקטריות, ועמידות בפני חום ולחות, ולכן הוא משמש בעיקר ברכיבים עם דרישות ביצועים חשמליים של הרכיבים. דבק מבני אפוקסי שרף נפוץ בשימוש בתעופה כפי שמוצג בטבלה 2. חברות Hexcel, Cytec ונוספות בארצות הברית פיתחו מגוון שימושים במערכת החומרים, ובשנים האחרונות פיתחה חברת AVIC Composite המקומית גם מערכת שרף בטמפרטורה בינונית וגבוהה, כגון BA9913, BA9916, SY-3000 וכן הלאה.

כרטיסייה.2 דבקים מבניים לתעופה מקומית וזרה

003 מבני כריך חלת דבש על רכיבי מטוס טיפוסיים

בכל הנוגע למטוסים אזרחיים גדולים, הבואינג 747 (הוטס לראשונה ב-9 בפברואר 1969) תוכנן עם אחוז גדול של בניית סנדוויץ' (איור 1). יש לו כמחצית משטח הכנף, כולל הקצוות המובילים והנגררים, עשוי פיברגלס וחלת דבש Nomex. בבואינג 747, המעטפת הגלילית של גוף המטוס היא בעיקר חלת דבש של נומקס, וגם הרצפה, לוחות הצד, פחי האשפה והתקרה עשויים חלת דבש. רוב הדשים עשויים מאותו מבנה חלת דבש, אך נעשה שימוש גם בחלת דבש ובעור מאלומיניום. יישומי מבנה סנדוויץ' של חלת דבש ב-B787 כוללים את הגה, מעלית, קצות כנפיים ומנועים. ביניהם, תנורי המנוע והיפוכי דחף עשויים חלת דבש HexWeb ו-HexPly8552/AS4 prepreg. עם היתרונות של משקל קל וקשיחות גבוהה, כמו גם בליעה אקוסטית, חלת הדבש של HexWeb נוצלה על ידי כל יצרני המנועים הגדולים בעולם. עבור הבואינג 707, רק 8% הם חלת דבש, ועבור הבואינג 757/46 החדשים יותר, 46% הם חלת דבש.

תְאֵנָה.1 איור של חלק מיישום מבנה הסנדוויץ' B747 (אזור כחול)

מבנה סנדוויץ' חלת דבש ביישום של מטוסים אזרחיים גדולים הוא המוקדם ביותר בהגה המטוס של איירבוס A310, ולאחר מכן בשימוש בהגה A320, A340. מבנה סנדוויץ' חלת הדבש הגדול ביותר הוא הגה A340, בשטח של 15.3 מ'²של מבנה סנדוויץ' חלת דבש. המינון המטוס היחיד-הגדול ביותר עבור מטוס ה-A380, כמות מבנה הסנדוויץ' חלת הדבש שלו הסתכמה ב-4,000 מ'², משמש בעיקר לרכיבים מבניים גדולים בגודל-, כולל יריעת הבטן, ריצוף וכו'. והריצוף עשוי בעיקר מלוחות סנדוויץ' Gillfab4909 של MC GillCorp. חלת דבש קוולר. מבנה הרצפה ב-Airbus A380 עשוי ממספר רב של חומרים מרוכבים של סנדוויץ' חלת דבש של Nomex, שהם חומרים מצוינים המאפשרים ל-A380 להגיע לחיי פעולה של 20,000 שעות, מה שמבטיח שהמטוס יכול להיות בשירות יותר מ-10 שנים. מאז, השימוש בחומרים מרוכבים גדל משמעותית, במיוחד עם ה-ATR72, שהיה המטוס האזרחי הראשון שאושר למבנה בסיסי פחמן (קופסת כנפיים) (ראה איור 2). כפי שמוצג באיור 3, שיעור חומרי הסנדוויץ' במבנים משניים ירד. עבור ה-A380, בואינג 787 או איירבוס A350, רק יריעת הבטן, התאים ודלתות גלגלי הנחיתה הקדמיות, חלק מהגלגלים וההגאים עדיין עשויים ממבנה סנדוויץ', והשאר הם מבנים מונוליטיים-מתחזקים.

איור. 2 יישום של חומרים מרוכבים ATR72

(א) מבנה סנדוויץ' של A380 (ב) מבנה סנדוויץ' של A350 ו-B787 סט מרוכב מִבְנֶה

תְאֵנָה.3 תרשים של מבנה כריך מטוס

בהשוואה למטוסים אזרחיים, היישום של מבנה סנדוויץ' חלת דבש במטוסים כלליים מתבטא בעיקר בשימוש בגוף המטוס, כמו מטוסי PremierI של HawkerBeechcraf, מטוסי הוקר 4000 ו"ראש הממשלה" IA, מטוסי Bombardier Aerospace Learjet 85 וכן הלאה. PremierI הוא המטוס העסקי הראשון עם אישור FAA-הכל-מרוכבים, גוף המטוס כולו עשוי מלוחות פחמן ממבנה סנדוויץ' חלת דבש, העובי הכולל של 20.6 מ"מ, גוף המטוס נטול מסבכים ומסגרות, מאשר מבנה האלומיניום המסורתי כדי להפחית את המשקל של 25% בתא הנוסעים, וגדל ב-13%. מבנה גוף המטוס של מטוס ההוקר 4000 שנמצא כעת בייצור מורכב משלושה מבני קנה המחוברים בכנפיים, החביות הן מבני סנדוויץ' חלת דבש, והעור מונח באמצעות מכונת הנחת החוטים האוטומטית של MAG Cincinnati.{10} רכיבים מרוכבים של מבנה סנדוויץ' חלת דבש של Nomex משמשים במספר רב של יישומים ברוסיה עבור רכיבי מטוסים כגון דשים, גלגלים, לוחות קיר גוף, מנועים, תא טייס, תאי מטען, זנבות אופקיים, קצוות כנפיים מובילים, קורות זנב של רוטור מסוקים ורכיבי מטוס אחרים.

הייצור המקומי על ידי AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. ויחידות אחרות של מספר רב של חומרים מרוכבים מטריצת שרף (כגון דרוג, משוט, זנב שטוח ורוטור וכו') וחומרים מרוכבים של מבנה כוורת כוורת Nomex (לוחות גוף, רצפות, קורות זנב וכו'), מה שמפחית באופן משמעותי את משקל גוף המטוס ומשפר באופן משמעותי את משקל השומן של הרכיבים ומשפרים את החוזק הכולל של הרכיבים. מאפיינים אווירודינמיים כדי לשפר את איכות הטיסה של המסוק. ההערכה היא שבנוסף למנוע ורכבת ההנעה, כמעט 300 חלקי מטוסים עשויים מחומרים מרוכבים של סנדוויץ' חלת דבש של נומקס. כל החלקים משתמשים בחומרי ליבת חלת דבש של Nomex ב-3 צפיפויות ו-12 מפרטים. כמות חומרי ליבת חלת הדבש של נומקס בכל גוף המטוס היא יותר מ-200 מ"ר, ושטח הכיסוי שלו מהווה כ-80% מגוף המטוס כולו, שהוא אחד מסוגי המטוסים שמשתמשים הכי הרבה ברכיבים מבניים של כוורת נומקס בסין כיום.

004 יישום מבנה סנדוויץ' חלת דבש על ריצוף של מטוסים אזרחיים

4.1 סטטוס מחקר של ריצוף תא הנוסעים והמטען במטוסים

רצפות מטוסים קונבנציונליות רצפות נוסעים ומטען בנויות ממתכת. בכל רצפה יש מאות מסמרות וברגים, אבל צריך גם להשתמש ברפידות אלסטיות ובידוד מבנה גוף, ולכן יקר. והשימוש בחומרים מרוכבים יכול לשפר מאוד את מבנה הרצפה של חוזק, קשיחות, עייפות ועמידות בפני קורוזיה, יכול להפחית את המחברים בסדר גודל, ויכול להפחית משמעותית את משקל מבנה הרצפה.

הפאנל של מבנה הסנדוויץ' המרוכב של רצפת המטוס עשוי בדרך כלל מ-prepreg סיבי זכוכית, סיבי פחמן ו-Kevlar prepreg, והמטריצה ​​נבחרת משרף אפוקסי או שרף פנולי. ליבות חלת דבש משמשות בדרך כלל עם חלת דבש Nomex.

תְאֵנָה.4 ריצוף של תא הנוסעים והמטען במטוס

4.2 יישום מבני סנדוויץ' על רצפות

רצפת תא הנוסעים הראשית של מסוק צ'ינוק מדגם 234 אזרחי של בואינג בגודל 2.5 מ"ר על 2.2 מ' כל אחד ומורכבת מארבעה לוחות. הלוחות הם חומרים מרוכבים מפיברגלס/Kevlar49 עם ליבות חלת דבש של Nomex, ולרצפת הסנדוויץ' יש ארבע שכבות של פריסת פאנלים עליונים ותחתונים כל אחת, סימטרית לליבת חלת הדבש באמצע. השכבה הראשונה והשנייה הן 0 מעלות סיבי זכוכית prepreg, והשכבה השלישית והרביעית הן 0 מעלות כיוון Kevlar49 סיבי prepreg. לליבה של Nomex יש גובה של 38 מ"מ, אורך התא של 2 מ"מ וצפיפות של 48 ק"ג/מ"ק. הלוחות והליבה מודבקים יחד עם סרט דבק EA9. מבנה סנדוויץ' מורכב נבחר גם לרצפת תא הנוסעים של בואינג 777, בואינג 787 דרימליינר ודגמי מטוסים אחרים.

MC GillCorp. ייצור של לוח מבנה סנדוויץ' Gillfab4223 מבחר בד פיברגלס, מטריצה ​​לשרף הפנולי, ליבה עבור חלת הדבש GillcoreHD meta-ארמיד, מבחר סרטי דבק של מערכת אפוקסי. העובי של כל מבנה הסנדוויץ' הוא 12.6 מ"מ, עובי הפאנל העליון הוא 1.27 מ"מ, ועובי הפאנל התחתון הוא 0.508 מ"מ. מבנה הכריך Gillfab4223 משמש ב-Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340/A300/A310/A300-600. MC GillCorp. ייצור של לוח מבנה סנדוויץ' Gillfab4505 מבחר של חגורה חד-כיוונית סיבי פחמן (שכבת פני השטח של סיבי זכוכית prepreg), המטריצה ​​עבור השרף הפנולי, הליבה עבור חלת הדבש GillcoreHD meta-aramid, בחירת סרט דבק של מערכת אפוקסי. העובי של כל מבנה הסנדוויץ' הוא 9.5 מ"מ, ועובי הלוחות העליונים והתחתונים הוא 0.5 מ"מ. מבנה הכריך Gillfab4505 משמש ב-Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340.

רצפת המטען של Fokker 100 היא מבנה פשוט יחסית, שהוא מבנה סנדוויץ' מורכב עם עור חיצוני של יריעות של-חומרים תרמופלסטיים בעלי ביצועים גבוהים וליבה של חלת דבש Nomex. העור והליבה מודבקים יחד עם סרט אפוקסי.

רצפת תא המטען של דגם מסוים של מבנה סנדוויץ' חלת דבש של Nomex הוכנה על ידי יציקת כבישה חמה באמצעות-תוצרת עצמית של שרף פנולי מחוזק בסיבי זכוכית כחומר הגלם של הפאנל על ידי Niu Fangxu וחב'. של Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. התכונות המכניות ותכונות מעכב הבעירה של הרצפה הוערכו באופן שיטתי, ונותחו ההשפעות של סוג ה-prepreg, טמפרטורת ההתפרקות ותהליך היציקה על המאפיינים המכניים של לוחות חלת הדבש, והגורמים המשפיעים של תכונות מעכבי הבעירה של חלת הדבש נותחו. התוצאות מראות שהמאפיינים המכאניים של רצפת תא המטען שהוכנה עם -פריפרג מתוצרת עצמית מצוינות, עם העומס האולטימטיבי של כיפוף קרן ארוכה עד 4348N, הסטייה של 6.79 מ"מ בלבד בעומס של 445N, ביצועי הפגיעה עד 17.1J, וחוזק קילוף הגליל עד {6,4 מ"מ ו-{6,0} מ"מ. במקביל, עמידה בדרישות המחמירות לעיכוב בעירה, שיכולה לממש את ההחלפה המקומית של חומרי הריצוף עבור שטח המטען בתפזורת של המטוס.

005 מסקנה

מבנה סנדוויץ' של חלת דבש בעל חוזק גבוה, קשיחות ספציפית גבוהה וצפיפות נמוכה, הנהנה מתכונות הדחיסה וההתכופפות הטובות שלו, שימש במספר רב של יישומים בתחום המטוסים האזרחיים. מאמר זה מנתח את התקדמות המחקר ואת מצב הפיתוח של מבנה סנדוויץ' חלת דבש, מסרק עוד יותר את היישום שלו על מבני מטוסים טיפוסיים, ומסיק שעם הפיתוח והייצור של מטוסים מקומיים C919/C929, למבנה סנדוויץ' מרוכב לרצפות מטוסים יש מגוון רחב של אפשרויות יישום. (מקור: Fiber Composites)