aktualności

Już w latach 50. XX wiekukompozyty wzmocnione włóknem szklanymStosowano je w elementach płatowców śmigłowców, które nie były elementami nośnymi, takich jak owiewki i luki inspekcyjne, choć ich zastosowanie było dość ograniczone.

Przełomowy postęp w dziedzinie materiałów kompozytowych do śmigłowców nastąpił w latach 60. XX wieku wraz z udanym rozwojem łopat wirnika z kompozytów wzmocnionych włóknem szklanym. Dowiodło to wyjątkowych zalet kompozytów – doskonałej wytrzymałości zmęczeniowej, wielościeżkowego przenoszenia obciążeń, powolnej propagacji pęknięć oraz prostoty formowania tłocznego – które w pełni wykorzystano w zastosowaniach łopat wirnika. Wrodzone wady kompozytów wzmocnionych włóknami – niska międzywarstwowa wytrzymałość na ścinanie i wrażliwość na czynniki środowiskowe – nie wpłynęły negatywnie na konstrukcję ani zastosowanie łopat wirnika.

Podczas gdy łopaty metalowe mają zazwyczaj żywotność nieprzekraczającą 2000 godzin, łopaty kompozytowe mogą osiągnąć żywotność przekraczającą 6000 godzin, potencjalnie nieokreśloną, i umożliwiają konserwację opartą na stanie. To nie tylko zwiększa bezpieczeństwo śmigłowców, ale także znacznie obniża koszt pełnego cyklu życia łopat, przynosząc znaczne korzyści ekonomiczne. Prosty, łatwy w obsłudze proces formowania tłocznego i utwardzania kompozytów, w połączeniu z możliwością dostosowania wytrzymałości, sztywności (w tym charakterystyki tłumienia), umożliwia bardziej efektywne ulepszenia profilu aerodynamicznego i optymalizację w projektowaniu łopat wirnika, a także optymalizację dynamiki strukturalnej wirnika. Od lat 70. badania nad nowymi aerodynamicznymi powierzchniami łopat zaowocowały serią wysokowydajnych profili łopat śmigłowców. Te nowe aerodynamiczne powierzchnie łopat charakteryzują się przejściem od symetrycznych do całkowicie zakrzywionych, asymetrycznych konstrukcji, osiągając znacznie zwiększone maksymalne współczynniki siły nośnej i krytyczne liczby Macha, zmniejszone współczynniki oporu i minimalne zmiany współczynników momentu. Ulepszenia kształtów końcówek łopat wirnika — od prostokątnych do skośnych, stożkowych końcówek; paraboliczne, wygięte do dołu końcówki; aż po zaawansowane, cienkie, wygięte końcówki BERP — mają znacznie ulepszony rozkład obciążenia aerodynamicznego, zakłócenia wirowe, wibracje i charakterystykę hałasu, co zwiększa wydajność wirnika.

Co więcej, konstruktorzy wdrożyli multidyscyplinarną, zintegrowaną optymalizację aerodynamiki łopat wirnika i dynamiki strukturalnej, łącząc optymalizację materiałów kompozytowych z optymalizacją konstrukcji wirnika, aby uzyskać lepszą wydajność łopat oraz redukcję wibracji i hałasu. W rezultacie, pod koniec lat 70. XX wieku niemal wszystkie nowo opracowane śmigłowce wyposażano w łopaty kompozytowe, a modernizacja starszych modeli z łopatami metalowymi na kompozytowe przyniosła niezwykle skuteczne rezultaty.

Główne rozważania dotyczące przyjęcia materiałów kompozytowych w strukturach płatowców śmigłowców obejmują: złożone zakrzywione powierzchnie zewnętrzne śmigłowców, w połączeniu ze stosunkowo niskim obciążeniem strukturalnym, co czyni je odpowiednimi do wytwarzania materiałów kompozytowych w celu zwiększenia tolerancji na uszkodzenia strukturalne i zapewnienia bezpiecznej, niezawodnej pracy; zapotrzebowanie na redukcję masy w strukturach płatowców zarówno w przypadku śmigłowców użytkowych, jak i szturmowych; oraz wymagania dotyczące struktur pochłaniających zderzenia i konstrukcji stealth. Aby sprostać tym potrzebom, Instytut Badań nad Technologią Stosowaną Lotnictwa Armii Stanów Zjednoczonych (US Army Aviation Applied Technology Research Institute) utworzył w 1979 r. Program Zaawansowanych Płatowców Kompozytowych (ACAP). Od lat 80., kiedy śmigłowce takie jak Sikorsky S-75, Bell D292, Boeing 360 i europejski MBB BK-117 z płatowcami w całości wykonanymi z kompozytów rozpoczęły loty testowe, do udanej integracji przez Bell Helicopter kompozytowych skrzydeł i kadłuba V-280 w 2016 r., rozwój płatowców w całości wykonanych z kompozytów poczynił znaczące postępy. W porównaniu z samolotami referencyjnymi ze stopu aluminium, płatowce kompozytowe zapewniają znaczne korzyści pod względem masy, kosztów produkcji, niezawodności i łatwości konserwacji, spełniając cele programu ACAP przedstawione w tabeli 1-3. W związku z tym eksperci twierdzą, że zastąpienie płatowców aluminiowych konstrukcjami kompozytowymi ma znaczenie porównywalne z przejściem w latach 40. XX wieku z płatowców o konstrukcji drewniano-płóciennej na konstrukcje metalowe.

Naturalnie, zakres wykorzystania materiałów kompozytowych w konstrukcjach płatowca jest ściśle powiązany ze specyfikacjami projektowymi śmigłowców (wskaźnikami wydajności). Obecnie materiały kompozytowe stanowią od 30% do 50% masy konstrukcji płatowca w średnich i ciężkich śmigłowcach szturmowych, podczas gdy w śmigłowcach transportowych wojskowych/cywilnych udział ten jest wyższy i sięga 70% do 80%. Materiały kompozytowe są stosowane głównie w elementach kadłuba, takich jak belka ogonowa, statecznik pionowy i statecznik poziomy. Ma to dwa cele: redukcję masy oraz łatwość formowania złożonych powierzchni, takich jak kanałowe stateczniki pionowe. Konstrukcje amortyzujące również wykorzystują kompozyty, aby uzyskać redukcję masy. Jednak w przypadku lekkich i małych śmigłowców o prostszej konstrukcji, mniejszych obciążeniach i cienkich ściankach, zastosowanie kompozytów może nie być opłacalne.