Materiali compositi nel settore aerospaziale

Il peso è tutto quando si tratta di macchine più pesanti dell'aria, e i progettisti hanno cercato continuamente di migliorare i rapporti di sollevamento per peso da quando l'uomo è salito in aria per la prima volta. Materiali compositi hanno svolto un ruolo importante nella riduzione del peso e oggi ci sono tre tipi principali in uso: resina epossidica rinforzata con fibra di carbonio, vetro e aramide.; ce ne sono altri, come il boro rinforzato (esso stesso un composto formato su un nucleo di tungsteno).

Dal 1987 l'uso di materiali compositi nell'aerospaziale è raddoppiato ogni cinque anni e compaiono regolarmente nuovi composti.

I compositi sono versatili, utilizzati sia per applicazioni strutturali che per componenti, in tutti gli aeromobili e veicoli spaziali, da gondole e alianti a mongolfiera ad aerei di linea passeggeri, aerei da combattimento e lo spazio Navetta. Le applicazioni spaziano da velivoli completi come Beech Starship a gruppi alari, pale del rotore di elicotteri, eliche, sedili e custodie per strumenti.

I tipi hanno proprietà meccaniche diverse e sono utilizzati in diverse aree della costruzione di aeromobili. La fibra di carbonio, ad esempio, ha un comportamento alla fatica unico ed è fragile, come ha scoperto Rolls-Royce negli anni '60 quando l'innovativo motore a reazione RB211 con pale del compressore in fibra di carbonio si guastò catastroficamente a causa dell'uccello colpisce.

Mentre un'ala in alluminio ha una durata a fatica nota del metallo, la fibra di carbonio è molto meno prevedibile (ma migliorando drasticamente ogni giorno), ma il boro funziona bene (come nell'ala di Advanced Tactical Combattente). Le fibre di aramide ("Kevlar" è un noto marchio proprietario di proprietà di DuPont) sono ampiamente utilizzate in fogli a nido d'ape per costruire paratie, serbatoi di carburante e pavimenti molto rigidi e molto leggeri. Sono inoltre utilizzati nei componenti delle ali anteriori e posteriori.

In un programma sperimentale, Boeing ha usato con successo 1.500 parti composite per sostituire 11.000 componenti metallici in un elicottero. L'uso di componenti a base composita al posto del metallo come parte dei cicli di manutenzione sta crescendo rapidamente nell'aviazione commerciale e di piacere.

Nel complesso, la fibra di carbonio è la fibra composita più utilizzata nelle applicazioni aerospaziali.

Ne abbiamo già toccati alcuni, come il risparmio di peso, ma ecco un elenco completo:

• Riduzione del peso: vengono spesso citati risparmi compresi tra il 20% e il 50%.
• È facile assemblare componenti complessi utilizzando macchine automatiche per la posa e processi di stampaggio rotazionale.
• Le strutture stampate monoscocca ('single-shell') offrono maggiore resistenza a un peso molto inferiore.
• Le proprietà meccaniche possono essere adattate dal design "lay-up", con spessori rastremati del tessuto di rinforzo e orientamento del tessuto.
• Stabilità termica dei compositi significa che non si espandono / contraggono eccessivamente con un cambiamento di temperatura (ad esempio una pista di 90 ° F a -67 ° F a 35.000 piedi nel giro di pochi minuti).
• Elevata resistenza agli urti - anche gli armature in kevlar (aramide) proteggono gli aerei - ad esempio, riducendo i danni accidentali ai piloni del motore che trasportano i controlli del motore e le linee del carburante.
• L'elevata tolleranza ai danni migliora la sopravvivenza agli incidenti.
• Si evitano i problemi "galvanici" - elettrici - di corrosione che si verificano quando vengono a contatto due metalli diversi (in particolare in ambienti marini umidi). (Qui la vetroresina non conduttiva svolge un ruolo.)
• I problemi di affaticamento / corrosione combinati sono praticamente eliminati.

Con costi di carburante sempre crescenti e lobby ambientale, il volo commerciale subisce una pressione prolungata per migliorare le prestazioni e la riduzione del peso è un fattore chiave nell'equazione.

Oltre ai costi operativi quotidiani, i programmi di manutenzione degli aeromobili possono essere semplificati dalla riduzione del conteggio dei componenti e dalla riduzione della corrosione. La natura competitiva delle attività di costruzione di aeromobili assicura che ogni opportunità di riduzione dei costi operativi sia esplorata e sfruttata ove possibile.

La concorrenza esiste anche in campo militare, con continue pressioni per aumentare il carico utile e l'autonomia, le caratteristiche di prestazione di volo e la "sopravvivenza", non solo degli aerei ma anche dei missili.

La tecnologia composita continua ad avanzare e l'avvento di nuovi tipi come le forme di nanotubo di basalto e carbonio è sicuro di accelerare ed estendere l'uso del composito.

Quando si tratta di aerospaziale, i materiali compositi sono qui per restare.