Status Permohonan Komposit Berasaskan Resin Bertetulang Gentian, Termasuk Aramid, dalam Helikopter

Abstrak

Kertas kerja ini memperkenalkan ciri-ciri berkaitan komposit berasaskan resin bertetulang gentian dan jenis serta sifat komposit berasaskan resin bertetulang gentian yang biasa digunakan dalam helikopter.Ia menerangkan ciri-ciri struktur helikopter dan bahagian aplikasi khusus dan status semasa komposit berasaskan resin bertetulang gentian dalam helikopter.Ciri-ciri struktur, pemilihan bahan, dan fungsi bahagian aplikasi ini dalam helikopter dibincangkan, dan trend pembangunan masa depan bahan komposit untuk helikopter juga dijangkakan.Penyelidikan menunjukkan bahawa komposit berasaskan resin bertetulang gentian telah mencapai penggunaan meluas dalam helikopter kerana sifat bahannya yang sangat baik, memainkan peranan penting dalam kemajuan teknologi helikopter.

01 Pengenalan

Bahan komposit ialah sistem bahan baharu yang dibentuk dengan menggabungkan beberapa bahan dengan sifat fizikal dan kimia yang berbeza, seperti polimer organik, bukan logam bukan organik, atau logam, melalui proses komposit, mencapai skala dan tahap struktur yang berbeza (mikroskopik, mesoskopik, atau makroskopik) melalui gabungan spatial yang kompleks.Bahan komposit biasanya menggunakan resin, logam dan seramik sebagai matriks dan bahan peneguh berprestasi tinggi seperti gentian, fabrik dan misai sebagai tetulang, yang dihasilkan melalui proses komposit bahan khas.Komposit bahan boleh mengekalkan ciri asal bahan konstituen sambil memperoleh sifat baharu, yang sangat penting untuk meningkatkan prestasi keseluruhan bahan.Pada masa ini, bahan komposit telah berkembang menjadi salah satu daripada empat sistem bahan utama bersama bahan logam, bahan bukan logam bukan organik dan bahan polimer.Bahan komposit mempunyai banyak ciri seperti kekuatan tentu yang tinggi, modulus tentu yang tinggi, graviti tentu yang rendah, berat ringan, sifat yang boleh direka bentuk, dan sifat kimia yang stabil.Apabila digunakan pada struktur helikopter, ia boleh meningkatkan prestasi pesawat dengan berkesan, memastikan keselamatan penerbangan, dan mencapai pengurangan berat struktur.Dengan perkembangan pesat bahan komposit, penggunaan dan kuantiti bahan komposit termaju dalam bahagian penting pesawat telah menjadi salah satu petunjuk penting untuk mengukur kemajuan struktur pesawat.

02 Bahan Komposit Berasaskan Resin Bertetulang Gentian

Bahan komposit bertetulang gentian ialah bahan komposit yang disediakan oleh pelbagai proses pengacuan seperti penggulungan, pengacuan, atau pultrusion gentian tetulang dan bahan matriks.Gentian, sebagai bahan penguat, adalah komponen utama bahan komposit bertetulang gentian.Gentian yang digunakan adalah sangat kecil, umumnya dengan diameter kurang daripada 10 μm, mempunyai sedikit kecacatan, dan mempunyai kekuatan dan modulus yang tinggi, menjadikannya bahagian galas beban utama bahan komposit.Bahan matriks selalunya merupakan bahan yang lasak dengan sifat viskoelastik dan elastoplastik, mampu menahan terikan yang besar dan berfungsi untuk mengikat dan melindungi bahan gentian, memainkan peranan penting dalam mengekalkan integriti dan ketekalan struktur komposit.Komposit bertetulang gentian mempunyai kekuatan spesifik yang tinggi, kekakuan spesifik yang tinggi, prestasi redaman yang baik dan rintangan lesu, dan sifatnya boleh direka mengikut keperluan, menjadikannya pilihan bahan utama untuk komponen komposit dalam bidang helikopter.

Bahan yang biasa digunakan dalam helikopter ialah komposit berasaskan resin bertetulang gentian, di mana tetulangnya adalah bahan gentian berprestasi tinggi dan matriks adalah bahan resin berprestasi tinggi.Jenis, orientasi dan kuantiti gentian tetulang memberi kesan ketara kepada ketumpatan, kekuatan dan prestasi keletihan bahan komposit.Bahan tetulang gentian yang biasa digunakan termasuk gentian karbon, gentian kaca dan gentian aramid.Peranan matriks resin adalah untuk mengikat bahan penguat bersama-sama, melindungi gentian daripada faktor fizikal dan kimia luaran, dan juga menghalang penyebaran retak apabila gentian pecah.Pemilihan bahan matriks resin menentukan keliatan, ketahanan terhadap penuaan haba lembap, dan suhu perkhidmatan bahan komposit.Matriks resin biasanya dikelaskan kepada jenis termoset dan termoplastik.Resin termoset terutamanya merujuk kepada resin epoksi, resin bismaleimide, dan resin polimida;resin termoplastik termasuk etilena, nilon, polytetrafluoroethylene, dan polyetherketone (PEEK).Resin termoset mempunyai sejarah penggunaan yang panjang, manakala resin termoplastik diperkenalkan kemudian.Walau bagaimanapun, perkembangannya telah pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dan cirinya yang boleh diterbalikkan selepas pengawetan sangat meningkatkan kebolehkitar semula bahan komposit.Pada masa ini, bahan komposit bertetulang gentian termoplastik digunakan dalam banyak helikopter di luar negara.Artikel ini memperkenalkan beberapa jenis bahan komposit berasaskan resin bertetulang gentian yang biasa digunakan dalam helikopter pada masa ini.

2.1 Bahan Komposit Berasaskan Resin Bertetulang Gentian Karbon

Gentian karbon ialah bahan grafit mikrokristalin berserabut dengan kandungan karbon lebih kurang 95%.Ia dihasilkan terutamanya dengan mengkarbonatkan dan menggrafitkan gentian organik pada suhu tinggi 1300℃～1800℃ di bawah perlindungan gas lengai.Gentian karbon mempunyai sifat yang sangat baik seperti kekuatan tinggi, modulus tinggi, ketumpatan rendah, tiada rayapan, rintangan suhu tinggi dalam persekitaran bukan pengoksidaan, rintangan keletihan yang baik, rintangan kakisan yang baik, dan kekonduksian elektrik dan haba yang baik.Ia kini merupakan bahan pengukuhan yang paling banyak digunakan dan paling penting.Antaranya, komposit matriks resin bertetulang gentian karbon, yang dibentuk dengan menggabungkan gentian karbon dengan bahan resin, mempamerkan prestasi komprehensif terbaik di kalangan bahan struktur sedia ada dan paling banyak digunakan dalam helikopter, dengan komposit matriks resin epoksi bertetulang gentian karbon menjadi contoh biasa.Selepas bertahun-tahun pengesahan, matriks resin epoksi mempunyai banyak kelebihan seperti prestasi komprehensif yang sangat baik, kebolehprosesan yang baik, dan kos rendah.Untuk meningkatkan lagi prestasi dan kualiti bahan komposit, resin bismaleimide dan resin polimida tahan suhu tinggi telah dibangunkan berturut-turut.Komposit bertetulang gentian karbon dibuat dengan resin bismaleimide dan bahan lain kerana matriks secara beransur-ansur digunakan dalam helikopter, meningkatkan kebolehsuaian dan ketahanannya dalam persekitaran yang keras seperti suhu tinggi dan haba yang tinggi.

2.2 Komposit Matriks Resin Bertetulang Gentian Kaca

Gentian kaca ialah bahan bukan logam bukan organik berprestasi tinggi dengan kekuatan dan keanjalan yang tinggi, serta kelebihan seperti rintangan haba yang kuat, penebat yang baik, dan rintangan kakisan.Bahan komposit yang dibuat dengan gentian kaca sebagai bahan penguat boleh meningkatkan prestasi dan ketumpatan bahan dengan berkesan.Komposit matriks resin epoksi gentian kaca digunakan terutamanya dalam helikopter.Bahan komposit yang diperbuat daripada pelbagai jenis gentian kaca mempunyai sifat dan aplikasi yang berbeza.Berdasarkan keperluan aplikasi praktikal, komposit matriks resin bertetulang gentian kaca yang diperbuat daripada kain gentian kaca, pita kaca, dan gentian cincang biasanya digunakan dalam fabrikasi komponen helikopter.

2.3 Komposit Matriks Resin Bertetulang Gentian Aramid

Gentian Aramid ialah sejenis bahan gentian sintetik berprestasi tinggi baharu, juga dikenali sebagai gentian poliamida aromatik.Serat Aramid mempunyai rintangan suhu tinggi yang sangat baik dan sifat anti-penuaan.Ia ringan namun berkekuatan tinggi, beratnya hanya kira-kira 1/5 berat dawai keluli, tetapi dengan kekuatan 5-6 kali ganda daripada dawai keluli.Serat Kevlar yang dihasilkan oleh DuPont adalah contoh tipikal serat aramid.Prestasi kekuatan dan reka bentuk ringan yang disediakan oleh komposit matriks resin bertetulang gentian aramid dengan berkesan meningkatkan responsif dan mematikan helikopter.

03 Ciri-ciri Struktur Helikopter

Helikopter mempunyai keupayaan penerbangan yang unik dan bentuk struktur yang tersendiri, menjadikannya satu-satunya alat pengangkutan yang pada masa ini mampu mencapai mana-mana rupa bumi.Struktur helikopter terutamanya terdiri daripada dua bahagian: sistem rotor dan struktur fiuslaj.Sistem rotor helikopter terdiri daripada dua bahagian utama: bilah pemutar dan hab pemutar.Bilah pemutar boleh dibahagikan lagi kepada bilah pemutar utama dan bilah pemutar ekor.Sistem rotor ialah struktur komponen bergerak yang unik pada helikopter.Putaran rotor menyediakan daya angkat, kuasa kawalan dan tujahan ke hadapan, membolehkan helikopter melakukan pelbagai operasi udara, termasuk berlepas dan mendarat menegak, melayang, penerbangan ke hadapan, penerbangan sisi, penerbangan pusingan U dan penerbangan altitud rendah.Tambahan pula, sekiranya berlaku kegagalan enjin, sistem pemutar boleh menggunakan tenaga kinetik putaran sedia ada dan tenaga potensi helikopter sendiri untuk memusingkan pemutar secara automatik, memastikan penurunan yang selamat dan pendaratan meluncur.

Struktur fiuslaj adalah komponen penting yang menyokong dan mengamankan bahagian dan sistem helikopter, menghubungkannya menjadi satu keseluruhan yang bersatu.Ia bertanggungjawab untuk membawa dan mengangkut kakitangan, peralatan, dan bekalan.Bentuk struktur fiuslaj memberi kesan ketara kepada prestasi penerbangan, pengendalian dan kestabilan helikopter.Struktur fiuslaj helikopter mesti mengutamakan pengurangan berat, dan helikopter tentera juga mesti mempertimbangkan ciri reka bentuk seperti kalis peluru, kemalangan, senyap dan penyerapan tenaga.Tambahan pula, helikopter biasanya terbang pada ketinggian di bawah 6000m, dengan beberapa mencapai serendah 15m, menjadikannya pesawat ketinggian rendah hingga sederhana.Persekitaran operasi utama mereka ialah keadaan yang teruk seperti lembap/panas, kering/sejuk, ribut pasir/hujan dan air laut.Oleh itu, kerangka udara helikopter biasanya memerlukan rintangan cuaca dan rintangan kakisan yang sangat baik untuk memenuhi keperluan ketat kawasan dan iklim yang berbeza.

04 Penggunaan Bahan Komposit Berasaskan Resin Bertetulang Gentian dalam Helikopter

4.1 Bilah Pemutar

Pembangunan terobosan bahan komposit dalam helikopter bermula pada 1960-an dengan kejayaan pembangunan bilah pemutar komposit bertetulang gentian kaca untuk helikopter seperti BO-105 dari MBB (Messerschmitt-Bolkow-Blohm) di Jerman Barat, SA341 "Gazelle" dari Aerospatiale di Perancis, dan Kamo dari Kamo di Rusia.Ini menandakan permulaan penggunaan bilah pemutar komposit dalam helikopter.

Hari ini, teknologi helikopter telah maju ke generasi ketiga dan keempat, dengan bilah pemutar direka dan dihasilkan secara meluas menggunakan bahan komposit.Berbanding dengan bilah logam yang digunakan dalam helikopter awal, bilah komposit mempunyai hayat perkhidmatan yang jauh lebih lama, secara amnya melebihi 6000 jam, tidak seperti jangka hayat 2000 jam biasa bilah logam.Bilah komposit lebih mudah dibaiki, mempunyai kos penyelenggaraan yang lebih rendah, kitaran penyelenggaraan yang lebih pendek dan membolehkan pertukaran satu bilah.Penggunaan bilah komposit telah meningkatkan kecekapan dan keselamatan operasi helikopter, mengurangkan jumlah kos jangka hayat bilah pemutar helikopter, dan membawa manfaat ekonomi yang besar.

Komposit matriks resin bertetulang gentian, kerana prestasi cemerlang dan kebolehreka bentukan, telah digunakan secara meluas dalam bilah komposit helikopter, menyumbang kira-kira 70% daripada penggunaan bilah semasa.Komponen yang diperbuat daripada komposit matriks resin bertetulang gentian dalam bilah komposit terutamanya termasuk kulit, spar dan pengisi sendi, yang kesemuanya merupakan komponen utama bilah.Komposit matriks resin bertetulang gentian yang digunakan dalam pembuatan bilah, juga dikenali sebagai prepreg, dibuat dengan pra-meresapi bahan gentian ke dalam matriks resin di bawah kawalan ketat.



Kulit adalah komponen penting yang menanggung beban dan membentuk bilah, memberikan kekakuan kilasan dan tetanik utama.Ia terutamanya terdiri daripada prepreg gentian karbon dan prepreg gentian kaca, dan pilihan susun atur kulit yang berbeza membolehkan reka bentuk dan pembuatan bilah komposit dengan kualiti prestasi yang berbeza-beza.Spar ialah komponen galas beban utama bagi bilah komposit, terletak di pinggir utama.Kawasan ini biasanya berfungsi sebagai bahagian arah angin semasa putaran bilah dan mengalami rintangan angin yang paling hebat, justeru memerlukan kekuatan dan kekakuan struktur yang tinggi.Spar terutamanya diperbuat daripada bahan komposit berasaskan resin bertetulang gentian kaca berkekuatan tinggi, biasanya diletakkan di sepanjang rentang bilah.Pengisi sendi diperbuat daripada bahan komposit berasaskan resin gentian cincang, biasanya menggunakan gentian kaca cincang.Terletak di akar bilah, pengisi sambungan perlu dibentuk terlebih dahulu sebelum pengacuan dan pemasangan bilah.Akar bilah bersambung ke hab, dan semua beban dinamik dan statik dipindahkan ke hab melaluinya, menjadikannya bahagian paling kompleks struktur bilah di bawah tekanan.Oleh kerana komponen yang banyak dan kompleks pada akar bilah, prestasi, bentuk dan kedudukan pengisi sambungan secara langsung mempengaruhi kualiti dan kekuatan acuan bilah.Tambahan pula, selat tepi belakang, yang memainkan peranan penting dalam mengawal goyangan bilah, biasanya diperbuat daripada komposit matriks resin bertetulang gentian kaca berkekuatan tinggi.Pada masa ini, bilah komposit helikopter domestik terutamanya menggunakan komposit matriks resin bertetulang gentian pengawetan suhu sederhana, menggunakan kaedah pengacuan mampatan pengawetan bersama sekali.Bilah komposit asing menggunakan ikatan sekunder dan proses pengawetan suhu tinggi semasa pembuatan.Dengan perkembangan pesat bahan, proses dan peralatan baharu, bilah komposit helikopter akan membuka kunci kemungkinan yang lebih besar pada masa hadapan.

4.2 Hab Bilah

Hab bilah ialah komponen penting yang memasang bilah pemutar dan menyambungkan sistem pemutar kepada sistem penghantaran dan kawalan.Hab bilah tradisional kebanyakannya diperbuat daripada logam, dipasang daripada banyak bahagian ketepatan, menghasilkan konfigurasi yang sangat kompleks dan kos pembuatan dan penyelenggaraan yang tinggi.Cara memudahkan reka bentuk struktur, mengurangkan kesukaran pembuatan dan mencapai pengurangan berat struktur sambil memastikan prestasi dan kualiti hab bilah sentiasa menjadi tumpuan usaha penyelidikan.Dengan pembangunan dan penggunaan bahan komposit, penemuan dan kemungkinan baharu telah muncul dalam mereka bentuk dan mengeluarkan hab pemutar yang mudah dalam struktur, prestasi yang stabil, selamat dan boleh dipercayai serta sangat cekap.

Pada masa ini, penyelidikan aplikasi utama bahan komposit dalam struktur hab pemutar memberi tumpuan kepada merealisasikan struktur hab pemutar tanpa galas dengan menggunakan sifat bahan komposit.Hab pemutar tanpa galas menghapuskan tiga engsel mekanikal bagi gerakan mengepak, melontar dan menguap, mewakili satu kejayaan besar dalam teknologi pemutar dan menandakan arah pembangunan teknologi reka bentuk pemutar.Struktur hab pemutar tanpa galas menggunakan rasuk dan lengan fleksibel untuk menggantikan engsel mekanikal dalam tiga arah ini, dengan rasuk fleksibel menjadi komponen utama.Dalam sistem pemutar tanpa galas, darjah kebebasan untuk mengepak, melontar, dan gerakan menguap bilah semuanya disediakan oleh ubah bentuk rasuk fleksibel.Kemunculan rasuk fleksibel boleh memudahkan struktur rotor, mengurangkan komponen pemasangan, dan mengurangkan kos penyelenggaraan.Pembinaan rasuk fleksibel adalah sangat kompleks.Memandangkan keadaan galas beban yang ketat dan keperluan prestasi seperti terikan yang dibenarkan bagi bahan yang digunakan dalam fabrikasinya, komposit matriks resin bertetulang gentian kaca berprestasi tinggi dipilih terutamanya untuk pembuatan rasuk fleksibel.Teknologi rasuk fleksibel untuk helikopter adalah matang di luar negara, dan rotor tanpa galas telah berjaya digunakan pada pelbagai helikopter, seperti EC-135 dan RAH-66.Penyelidikan domestik dan pembangunan reka bentuk struktur rasuk fleksibel dan teknologi fabrikasi juga sedang dijalankan, dan dijangka teknologi pemutar baharu ini akan berjaya digunakan pada helikopter domestik dalam masa terdekat.

4.3 Struktur Kerangka Udara

Kerangka udara helikopter mempunyai permukaan melengkung yang besar, menjadikannya sesuai untuk fabrikasi menggunakan komposit matriks resin bertetulang gentian.Disebabkan oleh banyak permukaan melengkung berdinding nipis dan kompleks, sejumlah besar komponen, seperti kokpit, fairing terdepan, dan fairing boom ekor, menggunakan struktur sandwic sarang lebah yang diperbuat daripada komposit matriks resin bertetulang gentian.Helikopter beroperasi dalam persekitaran luar yang keras, terutamanya helikopter tentera, yang kerap terdedah kepada suhu tinggi, kelembapan tinggi, hujan dan semburan garam.Memandangkan kesan persekitaran panas dan lembap, pengawetan suhu tinggi memastikan pengawetan lengkap, meminimumkan kesan alam sekitar dan mengurangkan kemerosotan prestasi.Komponen galas beban utama struktur kerangka udara kebanyakannya diperbuat daripada komposit matriks resin bertetulang gentian terawat suhu tinggi, manakala komponen galas beban sekunder selalunya diperbuat daripada komposit terawat suhu sederhana.Selain komposit matriks resin bertetulang gentian karbon dan gentian kaca yang biasa digunakan, komposit matriks resin bertetulang gentian aramid juga digunakan secara meluas dalam komponen helikopter, seperti penstabil mendatar, fairing, fairing ekor dan penutup akses penyelenggaraan.Petak enjin helikopter dan kawasan sekitarnya, seperti muncung ekzos enjin, salur masuk udara dan fairing petak enjin, kini dihasilkan menggunakan komposit matriks resin bertetulang gentian kaca tahan suhu tinggi, menggantikan aloi titanium tradisional.Penggunaan bahan jenis ini secara berkesan menghalang penyebaran kebakaran dalam situasi berbahaya, memastikan keselamatan dan kebolehpercayaan helikopter.

05 Kesimpulan

Komposit matriks resin bertetulang gentian telah digunakan secara meluas dalam struktur helikopter kerana sifat bahannya yang sangat baik, memberikan sumbangan besar kepada kemajuan teknologi helikopter.Pembangunan masa depan teknologi helikopter domestik akan mengejar kecekapan tinggi, jangka hayat yang panjang, kebolehpercayaan yang tinggi, dan kos rendah, membawa kepada keperluan yang semakin ketat untuk kedua-dua bahan dan struktur, dan mewujudkan keperluan mendesak untuk bahan komposit berprestasi tinggi, teknologi reka bentuk termaju dan proses pembuatan.Dengan kemajuan penyelidikan dan pembangunan teknologi bahan komposit struktur berprestasi tinggi, yang diwakili oleh gentian karbon bermodulus tinggi gred T1100 berkekuatan tinggi, gentian karbon modulus tinggi dan matriks resin termoplastik berprestasi tinggi, adalah mungkin untuk mencapai pengurangan berat struktur dan kitar semula matriks bertetulang gentian. matriks resin komposit komposit struktur hepatMenggunakan teknologi simulasi digital termaju untuk pembuatan struktur bahan komposit boleh memastikan kualiti bahagian yang lebih baik dan mengurangkan sisa bahan dan sumber dengan ketara.Penggunaan meluas teknologi pengacuan bahan komposit automatik kos rendah, seperti penempatan gentian automatik, juga membantu mengurangkan kos pembuatan dan meningkatkan kecekapan pengeluaran.

Tambahan pula, penyetempatan bahan aplikasi helikopter kekal sebagai hala tuju yang terus kami usahakan dan trend pembangunan masa hadapan.Sambil meningkatkan kepelbagaian dan prestasi bahan, bahan komposit berprestasi tinggi domestik perlu terus sejajar dengan teknologi bahan komposit termaju antarabangsa.Adalah dipercayai bahawa dengan kemajuan penyelidikan dan pembangunan serta usaha bersama semua orang, penggunaan komposit matriks resin bertetulang gentian untuk helikopter di negara saya akan membuka lembaran baharu.