Nowe konstrukcje aluminiowe będą konkurować z kompozytowymi tworzywami sztucznymi

Lekkie stopy litowe w nowych projektach konkurują na rynku materiałowym

Trzeci w rankingu producentów samolotów, Bombardier, połączy siły

ale przestawił się na kompozyty. 

Zaawansowane hybrydowe konstrukcje aluminiowe obniżają wagę i koszty o 15 do 20% procent i są konkurencją dla kompozytów z tworzyw sztucznych dla nowej serii wąskokadłubowych oraz innych komercyjnych samolotów. Te nowe koncepcje, dwu- a nawet trzykrotnie skracają również okresy między przeglądami konserwacyjnymi samolotu.

Na te nowe systemy składają się ostatnio opracowane wyso kowydajne materiały stopowe i konstrukcyjne, w tym forma stanowiąca dźwigar i zapewniająca sztywność dolnego skrzydła.

– Nowoczesne stopy aluminiowe w połączeniu z włóknistymi laminatami metalowymi zapewniają wyższą wytrzymałość statyczną, odporność na uszkodzenia i odporność na korozję aniżeli w aktualnie stosowanych technologiach, co wynika ze znacznych oszczędności na wadze – powiedział dla Design News dr John Liu, dyrektor do spraw lotnictwa i technologii materiałowych, firmy Alcoa podczas briefingu zorganizowanego w Centrum Technicznym Alcoa koło Pittsburgu.

Wprowadzono także kilka innowacji do technologii łączenia materiałów, w tym zgrzewanie tarciowe, spawanie laserowe i łączenie adhezyjne. Także firma Alcan zajmuje się opracowaniem nowego zakresu produktów wykonanych z alumino-litu, obok już opracowanych własnych stopów aluminiowo-litowych, spośród których cztery aktualnie znajdują zastosowanie w eksploatowanych samolotach.

Siłą napędową tych osiągnięć są wymagania stawiane przez producentów samolotów w zakresie mniejszego spalania paliw, podwyższenia masy płatnej, zwiększenia zasięgu samolotów i obniżenia kosztów ich utrzymania. Inspiracją jest szybki wzrostu kosztów paliw i popytu na samoloty bardziej przyjazne dla środowiska. Kolejnym czynnikiem jest oczywiście spektakularny sukces nowego Boeinga 787 – Dreamlinera, samolotu z dużą zawartością kompozytów. Producenci aluminium mają nadzieję, że w swoim kolejnym wąskokadłubowym samolocie Boeing postawi na wykorzystanie nowych zastosowań technologii aluminiowych.

Airbus również poważnie, planuje zastosować nowe materiały dla A350 o wyjątkowo szerokim kadłubie. Samolot ten jednak nie będzie latał przed rokiem 2013. Airbus przeszedł z konstrukcji aluminiowej na strukturę wykonaną w całości z kompozytów w wyniku nacisków ze strony klientów.

Podstawą takiego podejścia technicznego są wymagania, aby konstrukcje metalowe mogły być eksploatowane przy wyższych naprężeniach i obciążeniach statycznych, które stawia się kompozytom. To nowe podejście musi także obniżać podatność na pękanie i poprawiać wytrzymałość szczątkową.

– Dawno temu, samoloty budowano wyłącznie z jednego materiału – aluminium – mówi Dan Goodman, dyrektor Alcoa do spraw marketingu samolotów. – Dziś jednak, dzięki na szerokiemu wachlarzowi i właściwoścom dostępnych materiałów oraz możliwościom projektowym mamy do dyspozycji duży wybór materiałów.”

Zastosowanie samych tylko nowych stopów aluminiowo-litowych obniża o około 5% wagę samolotów. Materiały nowej generacji mają także inne zalety: całkowitą odporność na korozję i dużą odporności na pękanie w wyniku zmęczenia materiałów oraz dobrą kombinację wytrzymałości i zwięzłości. Można podać tu dwa przykłady: wyroby profilowane ze stopu 2099 do zastosowań w konstrukcji wewnętrznej oraz blachy i płyty ze stopu 2199 stosowane odpowiednio w kadłubie i dolnej części skrzydeł. Alcoa blisko współpracuje z producentem samolotów OEM Bombardier nad rozwijaniem nowych materiałów w ramach określonych programów i zastosowań.

Wyroby profilowane dla firmy Bombardier

W 2005 r., Alcoa i Bombardier rozpoczęły prace nad nowymi stopami dla samolotów z serii C, w których mogą znaleźć szersze zastosowania kompozyty do wykonania płata i kadłuba. Dotychczas docelowe zastosowania w serii C to dolne pokrycia i podłużnice skrzydła, jak również pokrycie kadłuba, ponieważ niosą one w sobie największy potencjał poprawy osiągów i oszczędności wagi. Badaniom podlegają profile ze stopu 2099 na dolne podłużnice skrzydła i arkusze ze stopu 2199 na pokrycie kadłuba i dolne pokrycie skrzydła.

– Plan serii C obejmuje międzynarodowe partnerstwo i są postępy w rozmowach w tej sprawie – mówi Pierre Beaudoin, prezes Bombardier Aerospace. – Kończymy badania rynku samolotów 100- do 149-miejscowych i okazuje się, że właśnie ten segment rynku charakteryzuje się dużym potencjałem.”

Docelowym terminem wejścia na rynek jest rok 2013. Rynkowe projekcje dla samolotu na 100 do 149 miejsc zamykają się liczbą 5 800 zamówień na najbliższe 20 lat. Jednym z zainteresowanych klientów jest firma China Aviation Corp., która chce uczestniczyć w opracowaniu pięciu kolejnych, 90- do 149-miejscowych samolotach pasażerskich. Mający swoją siedzibę w Montrealu, Bombardier jest spółką dysponującą kapitałem 14,8 miliardów USD.

Pewne produkty z tych nowych materiałów są już dostępne komercyjnie oraz wykorzystywane. Na przykład wyroby profilowane typu 2099-T83, o zakresie grubości od 1,27 do 76,2 mm stosuje się w kadłubie i podłodze Airbusa A380. Z produktów w arkuszach 2199-T8E74 sprzedaje się w grubościach powyżej 3,2 mm. Ten rodzaj blachy produkuje się także w gradacji stabilnej termicznie pod nazwą T8Prime. Ma ona wyższą spoistość, moduł, wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie, jak również wyższą niż wyjściowy stop odporność na zmęczenie materiału. Kolejną zaletą blachy ze stopu 2199, testowanej dla Bombardiera, jest brak potrzeby pokrywania jej powłoką antykorozyjną.

Projekt kesonu skrzydła

Znakomitym rozwiązaniem, które umożliwia zwiększenie sztywności i wzmocnienie kesonu skrzydła jest nowa kompozytowa forma, na którą składają się cztery elementy:

• płat górny skrzydła, w którym stosuje się udoskonalone aluminium;
• żebra, które można produkować na obrabiarkach (skrawaniem) z płyty udoskonalonego stopu jako kolejne sztuki lub metodą wytłaczania ich jako niezależnych elementów;
• dźwigary, które są elementami powtarzającymi się;
• dolny płat skrzydła ma być zbudowany jako udoskonalona konstrukcja hybrydowa, zwana włóknistym laminatem metalowym (fiber metal laminate – FML).

Konstrukcją centralną jest FML, który ma strukturę kompozytową, ale jest to kompozyt metalowy, a nie z tworzyw sztucznych. Składa się on z naprzemiennie ułożonych, wzajemnie związanych warstw metalu i włókna szklanego wzmocnionego klejem i nazywany jest także „prepeg”, który to termin stosuje się również na określenie struktury termoutwardzalnych tworzyw sztucznych. FML składa się z pięciu warstw – w środku i na obu bokach znajduje się aluminium. Pomiędzy arkuszami aluminiowej blachy znajdują się włókna szklane związane klejem, a w szczególności specjalnego gatunku żywicą epoksydową.

Jednym z „członków tej rodziny” jest materiał produkowany przez Alcoa pod nazwą Glare. Arkusze blachy wykonane są z ze stopu takiego jak 2024 i 7475, a ich grubość wynosi od 0,3-0,4 mm. Prepegi składają się z jednostkowo ukierunkowanego szkła typu S2 wraz z formą wykonaną z żywicy epoksydowej typu Fm94. Każda warstwa prepegu ma grubość 0,125 mm.

– Nie jest to tylko samorozwiązanie typu materiałowego – mówi Liu. – W celu wyprodukowania tych konstrukcji musieliśmy opracować udoskonalony proces produkcyjny. – Glare stosuje także Airbus Germany do pewnych konstrukcji.