novice

Že v petdesetih letih prejšnjega stoletja,kompoziti, ojačani s steklenimi vlakniso bili uporabljeni v nenosilne komponente helikopterskih trupov, kot so okvirji in inšpekcijske lopute, čeprav je bila njihova uporaba precej omejena.

Prebojni napredek pri kompozitnih materialih za helikopterje se je zgodil v šestdesetih letih prejšnjega stoletja z uspešnim razvojem rotorskih lopatic iz kompozitov, ojačanih s steklenimi vlakni. To je pokazalo izjemne prednosti kompozitov – vrhunsko utrujenostno trdnost, večpotni prenos obremenitve, počasne značilnosti širjenja razpok in preprostost kompresijskega oblikovanja – ki so bile v celoti uresničene pri uporabi v rotorskih lopaticah. Inherentne slabosti kompozitov, ojačanih z vlakni – nizka medplastna strižna trdnost in občutljivost na okoljske dejavnike – niso negativno vplivale na zasnovo ali uporabo rotorskih lopatic.

Medtem ko kovinske lopatice običajno nimajo življenjske dobe, ki presega 2000 ur, lahko kompozitne lopatice dosežejo življenjsko dobo, ki presega 6000 ur, potencialno za nedoločen čas, in omogočajo vzdrževanje glede na stanje. To ne le poveča varnost helikopterjev, temveč tudi znatno zmanjša stroške lopatic v celotnem življenjskem ciklu, kar prinaša znatne ekonomske koristi. Preprost in enostaven postopek stiskanja in vulkanizacije kompozitov, skupaj z možnostjo prilagajanja trdnosti, togosti (vključno z lastnostmi dušenja), omogoča učinkovitejše izboljšave aerodinamičnega profila in optimizacije pri zasnovi lopatic rotorja, pa tudi optimizacijo dinamike strukture rotorja. Od sedemdesetih let prejšnjega stoletja so raziskave novih aerodinamičnih profilov prinesle vrsto visokozmogljivih profilov lopatic helikopterjev. Ti novi aerodinamični profili imajo prehod iz simetričnih v popolnoma ukrivljene, asimetrične zasnove, s čimer dosegajo znatno povečane največje koeficiente vzgona in kritična Machova števila, zmanjšane koeficiente upora in minimalne spremembe koeficientov momenta. Izboljšave oblik konic lopatic rotorja – od pravokotnih do poševno zaobljenih, zoženih konic; parabolične poševno navzdol zaobljene konice; do naprednih tankih BERP konic – so bistveno izboljšale aerodinamično porazdelitev obremenitve, motnje vrtinca, vibracije in hrup, s čimer so povečale učinkovitost rotorja.

Poleg tega so oblikovalci izvedli multidisciplinarno integrirano optimizacijo aerodinamike in strukturne dinamike lopatic rotorja, pri čemer so združili optimizacijo kompozitnih materialov z optimizacijo zasnove rotorja, da bi dosegli izboljšano delovanje lopatic in zmanjšanje vibracij/hrupa. Posledično so do konca sedemdesetih let skoraj vsi na novo razviti helikopterji sprejeli kompozitne lopatice, medtem ko je naknadna vgradnja starejših modelov s kovinskimi lopaticami v kompozitne prinesla izjemno učinkovite rezultate.

Glavni dejavniki za uporabo kompozitnih materialov v konstrukcijah helikopterskih trupov vključujejo: kompleksne ukrivljene površine zunanjosti helikopterjev, skupaj z relativno nizko strukturno obremenitvijo, zaradi česar so primerni za izdelavo kompozitnih materialov za izboljšanje odpornosti na strukturne poškodbe in zagotavljanje varnega in zanesljivega delovanja; povpraševanje po zmanjšanju teže konstrukcij trupov tako za večnamenske kot za jurišne helikopterje; ter zahteve po strukturah, ki absorbirajo trke, in prikrito zasnovo. Da bi zadostil tem potrebam, je Inštitut za raziskave uporabne tehnologije v letalstvu ameriške vojske leta 1979 ustanovil program Advanced Composite Airframe Program (ACAP). Od osemdesetih let prejšnjega stoletja, ko so helikopterji, kot so Sikorsky S-75, Bell D292, Boeing 360 in evropski MBB BK-117 s popolnoma kompozitnimi trupi, začeli s testnimi poleti, do uspešne integracije kompozitnih kril in trupa V-280 s strani Bell Helicopter leta 2016, je razvoj helikopterjev s popolnoma kompozitnimi trupi dosegel pomemben napredek. V primerjavi z referenčnimi letali iz aluminijevih zlitin prinašajo kompozitna letala znatne prednosti pri teži letala, proizvodnih stroških, zanesljivosti in vzdrževanju, s čimer izpolnjujejo cilje programa ACAP, kot so opisani v tabeli 1-3. Posledično strokovnjaki trdijo, da je zamenjava aluminijastih letal s kompozitnimi konstrukcijami pomena, primerljivega s prehodom z lesenih na kovinske konstrukcije v 40. letih prejšnjega stoletja.

Seveda je obseg uporabe kompozitnih materialov v konstrukcijah letal tesno povezan s specifikacijami zasnove helikopterjev (metrikami zmogljivosti). Trenutno kompozitni materiali predstavljajo od 30 % do 50 % teže konstrukcije letala pri srednjih in težkih jurišnih helikopterjih, medtem ko vojaški/civilni transportni helikopterji uporabljajo večje odstotke, ki dosegajo 70 % do 80 %. Kompozitni materiali se uporabljajo predvsem v komponentah trupa, kot so repna letev, vertikalni stabilizator in horizontalni stabilizator. To služi dvema namenoma: zmanjšanju teže in lažjemu oblikovanju kompleksnih površin, kot so kanalizirani vertikalni stabilizatorji. Tudi konstrukcije, ki absorbirajo trke, uporabljajo kompozite za doseganje prihranka teže. Vendar pa pri lahkih in majhnih helikopterjih z enostavnejšimi konstrukcijami, manjšimi obremenitvami in tankimi stenami uporaba kompozitov morda ni nujno stroškovno učinkovita.