W jaki sposób konstruktorzy Airbusa decydują o wyborze materiałów? Pozwalają, by najlepsze materiały konkurowały ze sobą
Jeżeli kiedykolwiek przyjdzie wam starać się o zmniejszenie ciężaru swoich projektów bez uszczerbku dla ich wytrzymałości, będziecie mogli nauczyć się paru rzeczy od konstruktorów, którzy stworzyli największy na świecie samolot pasażerski – Airbus A380.
Mający kadłub o około 73 m długości, 24,1 m wysokości i 7,14 m szerokości, A380 nadaje nowe znaczenie słowu „jumbo”. Mógłby przewozić ponad 800 pasażerów na dwóch pełnowymiarowych pokładach, chociaż przy faktycznej konfiguracji miejsc, przewidzianej przez linie lotnicze, będzie tam 550 miejsc pasażerskich i wiele… komfortowych barów na pokładzie. Pierwszy, próbny, lot odbył się w kwietniu ubiegłego roku. Przewiduje się, że samolot wejdzie do eksploatacji pod koniec bieżącego roku, a pierwszy egzemplarz zakupią Linie Lotnicze Singapuru (Singapore Airlines).
Wiele samolotów miało problemy z ciężarem, począwszy od etapu projektowania, a skończywszy na produkcji. Spotkało to też A380. Jednak konstruktorom Airbusa udało się zmniejszyć ciężar obciążający podwozie tego wielkiego samolotu. Dokonali tego dzięki wprowadzeniu do konstrukcji większej ilości materiałów kompozytowych, niż zdarzyło się to kiedykolwiek w dotychczasowej historii firmy. Airbus twierdzi, że wykorzystanie lekkich materiałów konstrukcyjnych spowodowało zwiększenie udźwigu użytecznego samolotu o 15 t.
Postęp, który dokonał się w technologiach materiałów kompozytowych, spowodował, że projektantom A380 nie brakowało materiałów do wyboru. W jaki więc sposób pogodzili oni wymagania wytrzymałościowe każdej sekcji samolotu z optymalnym materiałem? Krótko mówiąc – dzięki konkurencji. – Zmusiliśmy najlepsze technologie materiałowe do konkurowania ze sobą – twierdzi Roland Thevenin, główny specjalista do spraw kompozytów i certyfikacji. W tej bezwzględnej analizie konkurencyjnej porównywano własności połączonych metalu i kompozytu, a także dwóch kompozytów. Nie brano pod uwagę wyłącznie ciężaru i najważniejszych właściwości mechanicznych, ale uwzględniano także koszt, łatwość produkcji i naprawy po wejściu samolotu do normalnej eksploatacji. – Rezultaty tej konkurencji widoczne są w strukturze płatowca A380, na którą składa się „optymalna hybrydyzacja” całkowicie różnych materiałów – jak to określił Serge Rabois, dyrektor projektu i analiz A380.
Wzrost znaczenia kompozytów
Wzmacniane kompozyty z tworzyw sztucznych stanowią większość w tej konstrukcji. Thevenin informuje, że 22 procent struktury podstawowej (w stosunku wagowym) wykonano z różnych kompozytowych tworzyw sztucznych, przeważnie epoksydowych, wzmacnianych włóknami węglowymi, dostarczonych przez firmy Hexcel i Cytec. Firma stosuje też, w nieznacznych ilościach, tworzywa epoksydowe wzmacniane włóknem szklanym do produkcji statecznika pionowego samolotu, jak również epoksyd wzmacniany kwarcem – do wyrobu stożka dziobowego. Podczas gdy zastosowania strukturalne oparte były przede wszystkim na kompozytach termoutwardzalnych, samolot posiada j-nose1, stanowiący część krawędzi natarcia skrzydeł, wykonany z tworzywa PPS, wzmacnianego włóknem szklanym. Thevenin zauważa, że wybrano tworzywo termoplastyczne, które zastąpiło nitowaną strukturę aluminiową, stosowaną we wcześniejszych konstrukcjach. Wybór był częściowo spowodowany podatnością tworzywa na spawanie powłoki j-nose i usztywnień z odpowiednim zapasem wytrzymałości.
Dla inżynierów Airbusa kompozyty nie są niczym nadzwyczajnym. Firma legitymuje się już ponad dwudziestoletnim doświadczeniem w stosowaniu podstawowych struktur nośnych wykonanych z kompozytów, poczynając od A310 z roku 1985. Od tego czasu firma stopniowo włączała dodatkowe struktury kompozytowe do każdego nowego samolotu. – Zawsze robiliśmy to krok po kroku, aby zminimalizować ryzyko – mówi Thevenin.
A380 to kolejny krok – tyle tylko, że bardzo, bardzo duży. Jest w nim ogromna ilość struktur kompozytowych, sprawdzonych już w poprzednio zbudowanych samolotach, z których część ma na koncie od 12 do 35 milionów godzin w powietrzu. Wśród tych struktur są stateczniki, klapy, a nawet potężne przegrody ciśnieniowe w części ogonowej. – Jedyne ryzyko wiążące się z tymi projektami to rozmiary – mówi Thevenin.
Konsekwencją zastosowania nadwymiarowych i sprawdzonych części kompozytowych jest na przykład zawężenie tolerancji projektowych dotyczących obciążeń. Wcześniej, stosując mniejsze i nie tak mocno obciążone struktury kompozytowe, inżynierowie Airbusa mieli komfort pracy wynikający z założonych większych tolerancji. Rozmiary komponentów A380 pozbawiły ich tego komfortu. Thevenin określił to słowami: – Teraz już nie mamy niepotrzebnych marginesów. A380 pokonuje niektóre nowe bariery. Zawarto w nim wielką liczbę zupełnie nowych zastosowań kompozytów, takich jak: dźwigary poprzeczne, górna konstrukcja, użebrowanie skrzydeł i prowadnica klap. W samolocie bardzo ważne struktury wykonano także z CFRP (tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowym). Usterzenie i tylna część kadłuba, która ma maksymalną średnicę przekraczającą 6 m, są właśnie wykonane z CFRP. Podobnie jak i centralny segment skrzydeł (keson – przyp. redakcji) o rozmiarach 2,4 × 7 × 7,8 m i o ciężarze 11 ton, który spełnia zadanie strukturalnego serca samolotu. Wykonany w większości z kompozytów wzmacnianych włóknami węglowymi z dodatkiem kilku aluminiowych żeber, segment skrzydeł stanowi nowość pośród samolotów pasażerskich, zabierających na pokład więcej niż stu pasażerów.
We wszystkich tych zastosowaniach cechy parametrów kompozytów nie powinny stanowić niespodzianki dla żadnego inżyniera. – Jeżeli mówimy „parametry”, to mamy na myśli przede wszystkim ciężar i wytrzymałość – opowiada Thevenin. Ocenia on, że dla narzuconych parametrów wytrzymałościowych struktury kompozytowe mają masę od 15 do 25 procent niższą niż ich metalowe odpowiedniki. Sam centralny segment skrzydła waży 1,5 tony mniej niż porównywalny segment z aluminium. Wprowadzając kompozyty do wysoko obciążonych sekcji A380, projekt nie przewidywał ich użycia tam, gdzie te nieodporne na uderzenia materiały mogłyby zostać uszkodzone przez sprzęt naziemny. – Kompozyty przedstawiają sobą potencjalne możliwości, lecz mają też swoje ograniczenia – mówi Thevenin.
Rozglądać się za GLARE
Całkowicie odmiennym typem kompozytu jest laminat aluminium i włókna szklanego, który stanowi około trzech procent wagi A380. Laminat ten, o nazwie GLARE, składa się z naprzemiennie ułożonych warstw aluminium i arkuszy z włókien szklanych i epoksydu, stanowiących warstwę materiału do prasowania laminatów zbrojonych. Zakłady zużywają około 465 m2 tego kompozytu na jeden samolot A380, przede wszystkim na górne pokrycie kadłuba i na krawędzie natarcia usterzenia. GLARE waży około 15 do 30 procent mniej niż standardowy arkusz aluminium (2024 T3), a precyzyjne określenie oszczędności zależny od typu i grubości warstw w GLARE.
Przykładowo, Airbus używa dwóch rodzajów GLARE – wersji standardowej i wersji o dużej wytrzymałości statycznej. Każdy rodzaj GLARE daje możliwość zmiany orientacji włókien.
– Dopasowujemy orientację włókien do specyficznych warunków obciążenia. Firma zatem stosuje różne orientacje w celu dostosowania do naprężeń ściskających, osiowych, dwuosiowych i do obciążeń ścinających. GLARE wygląda jak metal, ale zachowuje się jak kompozyt – w taki sposób Rabois opisuje wykorzystanie możliwości zmiany orientacji włókien do zoptymalizowania właściwości mechanicznych.
GLARE wykazuje jeszcze inne cechy. Jak twierdzi Rabois, warstwy włókien zapobiegają rozprzestrzenianiu się pęknięć, a także korozji. Zwiększają też odporność na ogień, ponieważ włókna działają jako izolacja. – Dodatkowo włókna zwiększają wytrzymałość na uderzenie, tworząc wtórną drogę dla obciążenia – zauważa Rabois. Materiał zwiększa również swobodę projektowania. – Przy łączeniu aluminium otwory na nity i ich liczba podlegają ograniczeniom z powodu zmęczenia materiału. GLARE natomiast nie ogranicza umieszczania łączeń – podkreśla Rabois.
Materiał zezwala na tworzenie dużych paneli przez łączenie ze sobą mniejszych arkuszy. Airbus przekłada warstwy dwóch mniejszych paneli i łączy je na stałe. Zdaniem Rabois, ta metoda eliminuje wiele otworów na nity i związaną z tym koncentrację naprężeń. – Rozmiar paneli ograniczony jest wyłącznie rozmiarem autoklawu i sprzętem transportowym – mówi. Wszystkie te korzyści projektowe nie przekładają się na wzrost kosztów napraw. Rabois twierdzi, że GLARE naprawia się w taki sam sposób jak zwykłe aluminium, z wyjątkiem kilku drobnych zmian w procedurze naprawy, takich jak niewyrównywanie wgnieceń i używanie narzędzi z węglików spiekanych. Jak w przypadku każdego materiału, zawsze trzeba znaleźć jakiś kompromis. Jeśli chodzi o GLARE wiąże się on z mniejszą sztywnością. Materiał charakteryzuje się modułem zginania o pięć do sześciu procent mniejszym niż porównywalny arkusz aluminium. Taka zmniejszona sztywność nie stanowi wielkiego problemu w pojedynczej strukturze, ale obciążenia mogą zostać przeniesione do innych części płatowca. – Jeżeli obniża się moduł jednej struktury, oznacza to przeniesienie obciążeń na inny element konstrukcji. W samolocie A380 struktury o niższym module, znajdujące się w górnej części kadłuba, przenoszą część całkowitego obciążenia do dolnej części kadłuba – wyjaśnia Rabois.
Teraz coś o kosztach. Rabois przyznaje, że GLARE ma „nieco wyższą cenę” niż standardowe aluminium. Dodaje jednak, że w sumie koszty te są równe kosztom zaawansowanych stopów aluminiowych, jeżeli na sprawę spojrzy się od strony kosztów każdego kilograma zaoszczędzonej wagi. Mogą być też korzyści wynikające z eksploatacji, takie jak mniejsza liczba przeglądów w poszukiwaniu pęknięć. Jego użycie powinno więc być w ogólnym rozrachunku opłacalne.
Dobrze dobrany kompozyt
Stworzenie konkurencji pomiędzy wzmocnionymi tworzywami sztucznymi, częściami laminowanymi metalem i stopami metali może wydawać się całkiem proste. Inżynierowie Airbusa mieli tylko za zadanie dopasować mechaniczne i fizyczne właściwości każdego materiału do oczekiwanych obciążeń różnych części płatowca. Ten aspekt doboru materiałów przez Airbus jest stosunkowo prosty, chociaż szczególne trudności sprawiły rozmiary i złożoność A380. Jak dotąd konkurencja pomiędzy różnymi materiałami często pozostaje zamknięta dla struktur, które początkowo miały sens dla więcej niż jednego rodzaju materiału. – Mamy świadomość, że nie ma jednego doskonałego materiału dla każdej struktury. Weźmy na przykład kadłub. Wiele górnych powłok i tylna część kadłuba mogą być wykonane z metali, GLARE lub CFRP, jeżeli rozważy się ten problem tylko z punktu widzenia ich właściwości mechanicznych. Wszystkie trzy jednakowo nadają się do późniejszych napraw – mówi Rabois.
Prawdziwa konkurencja sprowadza się do łatwości wytwarzania. Na przykład wykorzystanie zaawansowanych technik spawania faworyzuje zupełnie nieoczekiwane metale i projekty niektórych struktur. Airbus tylko dlatego mógł wziąć pod uwagę tak wiele struktur kompozytowych do skonstruowania A380, ponieważ był w stanie przede wszystkim… je wykonać. – Nasze projekty są motywowane procesem produkcyjnym i odwrotnie – mówi Thevenin. Dodaje on, że zwłaszcza kompozyty stanowią pewne szczególne wyzwanie, gdyż ich właściwości zależą od procesu produkcji. – Używając kompozytów, produkuje się materiał z zachowaniem takich samych albo nawet większych reżimów, jak w przypadku części wykonywanych później z ego materiału – mówi Thevenin. Airbus korzysta z wielu części kompozytowych od poddostawców, ale procesy stwarzające naprawdę największe wyzwania zostawia sobie.
– My koncentrujemy się na najtrudniejszych częściach – mówi Christian Valade, szef produkcji w centrum wytwarzania kompozytów w Nantes, we Francji. Określenie „trudne” w świecie kompozytów oznacza wielkowymiarowe części, lub też części o skomplikowanej geometrii. Zakład w Nantes produkuje wszystkie, łącznie z wielkim centralnym segmentem skrzydeł dla A380, jak też z wielką (17 metrów), potężnie obciążoną (ponad 500 ton) belką statecznika pionowego dla A340-600.
Podczas ostatniej podróży do centrum Valade zwrócił uwagę na zestaw metod produkcji kompozytów Airbusa, stanowiących własność fabryki. Są wśród nich automatyzowane urządzenia do formowania – z opatentowanym rozwiązaniem wugłowicowym – zwiększające wydajność, a także opatentowany system do produkcji okrągłych, kadłubowych paneli wygłuszających, które w przeszłości obniżały charakterystyki akustyczne. Firma intensywnie wykorzystuje też systemy „wspólnego utwardzania”, w których utwardzanie podłużnic i paneli odbywa się w jednym cyklu pracy autoklawu. Thevenin informuje, że projekty bazujące na kompozytach będą zwiększały swój udział w samolotach przyszłości, takich jak zbliżający się A350 (patrz rysunki). – Będziemy dalej zwiększali udział kompozytów – twierdzi, zaznaczając, że obciążenie fabryki w Nantes potroi się do roku 2007.
Nie myślcie jednak, że w konstrukcjach wszystkich samolotów w przyszłości będzie automatycznie zwiększany udział kompozytów. Rabois twierdzi, że techniki produkcji stopów aluminium i tytanu stają się coraz efektywniejsze i jednocześnie tańsze. W rezultacie przy każdym nowym projekcie samolotu… konkurencja zaczyna się od nowa.
