Konwencjonalne materiały kompozytowe stosowane na wybrane elementy w lotnictwie (praca mgr).pdf

SPIS TREŚCI

Wstęp.......................................................................................................................................... 2

1. Statki powietrzne – budowa płatowca.................................................................................... 4

1.1. Stałopłaty.................................................................................................................... 5

1.1.1. Samoloty............................................................................................................. 6

1.1.2. Myśliwce ............................................................................................................ 8

1.1.3. Szybowce.......................................................................................................... 13

1.2. Wiropłaty.................................................................................................................. 19

1.2.1. Śmigłowce ........................................................................................................ 20

2. Stopy metali w elementach konstrukcji lotniczych.............................................................. 28

2.1. Stopy aluminium ...................................................................................................... 29

2.1.1. Obróbka plastyczna stopów aluminium ........................................................... 31

2.1.2. Odlewnicze stopy aluminium ........................................................................... 33

2.2. Stopy tytanu.............................................................................................................. 35

4. Metalowe materiały kompozytowe ...................................................................................... 40

3.1 Kompozyty o osnowie tytanowej ............................................................................. 46

3.2. Kompozyty o osnowie niklu..................................................................................... 46

3.3. Kompozyty o osnowie aluminium............................................................................ 46

3.4. Kompozyty "in situ" ................................................................................................. 47

4. Polimerowe materiały kompozytowe................................................................................... 49

4.1. Podział tworzyw polimerowych ............................................................................... 50

4.2. Duroplasty termoutwardzalne .................................................................................. 52

4.2.1. Żywice fenolowo- formaldehydowe PF ............................................................ 53

4.2.2. Żywice mocznikowo-formaldehydowe UF ...................................................... 54

4.2.3. Żywice melaminowo-formaldehydowe MF ..................................................... 54

4.2.4. Żywice allilowe ................................................................................................ 55

4.3. Duroplasty chemoutwardzalne ............................................................................... 55

4.3.1. Żywice epoksydowe EP ................................................................................... 57

4.4. Kompozyty na osnowie z elastomerów.................................................................... 62

5. Zastosowanie materiałów kompozytowych w statkach powietrznych................................. 65

5.1 Samoloty pasażerskie. .................................................................................................... 65

5.2. Myśliwce .................................................................................................................. 69

5.3. Śmigłowce ................................................................................................................ 74

6. Część doświadczalna ............................................................................................................ 77

6.1. Cel i program badań. ............................................................................................... 77

6.2. Przedmiot badań ....................................................................................................... 78

6.3. Metodyka badań. ...................................................................................................... 78

6.4. Wyniki badań............................................................................................................ 80

6. Podsumowanie...................................................................................................................... 95

7. Bibliografia........................................................................................................................... 96

Wstęp

Lotnictwo jest to system który obejmuje budowę i użytkowanie statków

powietrznych oraz lotnisk a także ruch lotniczy, przewozy problemy kwalifikacji personelu

lotniczego i inne. W działalności lotniczej uczestniczy duża liczba organizacji i stowarzyszeń

z różnych krajów oraz większość państw świata. Koniecznym stał się utworzenie organizacji

międzynarodowych o zasięgu ogólnoświatowym, które zajęły się regulacjami prawnymi

porządkującymi funkcjonowanie lotnictwa.

„Obecny rozwój techniki lotniczej idzie przede wszystkim w kierunku udoskonalenia

lotnictwa odrzutowego. Udoskonalenie to polega nie tylko na zwiększeniu ciągu silników

odrzutowych, ale również na zupełnie nowym opracowaniu aerodynamicznym samych

płatowców. Samoloty przybierać zaczęły kształty coraz bardziej niezwykłe. Najbardziej

rozpowszechnił się kształt „strzały: laminarny profil, smukły kadłub z silnikiem w tylnej

części i trójkołowe podwozie.

Powszechnie wiadomo, iż materiały i technologie stosowane w technice kosmicznej

są motorem postępu rozwoju konstrukcji lotniczych. Pragnienie poznawania kosmosu

powoduje, że naukowcy szukają nowych rozwiązań, które otworzyłyby człowiekowi drogę

do zaspokojenia chęci odkrywania wszechświata. Doświadczenia zdobyte na tym szczeblu

wykorzystują konstruktorzy wdrażając do swoich projektów najnowsze rozwiązania.

Projektowanie samolotu jest procesem długotrwałym i bardzo złożonym.

Wymagania stawiane konstrukcjom lotniczym w dzisiejszych czasach są bardzo wygórowane,

gdyż zastosowanie odpowiednich materiałów wywiera znaczący wpływ na możliwości

eksploatacyjne tworzonego statku powietrznego oraz jego przeznaczenie.

Rodzaj zastosowanych materiałów wpływa na jakość i niezawodność konstrukcji.

Są one podstawowym czynnikiem umożliwiającym postęp oraz kształtowanie

poszczególnych konstrukcji i dziedzin techniki, często warunkującym możliwość ich dalszego

rozwoju. Równolegle z rozwojem materiałów rozwijają się technologie stanowiące wraz

z materiałami organiczną całość. Nowe technologie prowadzą do polepszenia właściwości

materiałów, poprawy jakości konstrukcji, a w końcowym etapie umożliwiają wykorzystanie

danego materiału w konkretnych wyrobach.

Celem mojej pracy było stworzenie kompendium wiedzy dotyczącej nowoczesnych

technologii i materiałów stosowanych w budowie płatowców statków powietrznych.

Gromadząc materiały prześledziłem historię związaną z tym zagadnieniem, którą

opisałem. Największy wpływ na rozwój konstrukcji lotniczych miały konflikty zbrojne, które

zmuszały konstruktorów do szukania nowych rozwiązań w dziedzinie materiałoznawstwa.

Kolejnym czynnikiem, którego nie można pominąć, a który miał ogromny wpływ na rozwój

tej dziedziny był wyścig dwóch największych mocarstw o podbój kosmosu: Stanów

Zjednoczonych i Związku Radzieckiego.

Do budowy płatowców współczesnych statków powietrznych używana jest ściśle

określona grupa materiałów, nad którymi przez wiele lat prowadzono badania.

Na podstawie zdobytych doświadczeń opracowywano technologię obróbki tych

materiałów pod kątem zastosowania ich na różne elementy płatowca. Najczęściej

stosowanymi materiałami są: stale, stopy aluminium, stopy magnezu, tytan i jego stopy oraz

najmłodsze torujące sobie dopiero drogę materiały kompozytowe, na których moim zdaniem

opierała się będzie przyszłość konstrukcji lotniczych. Materiały te zostały opisane przeze

mnie w rozdziale trzecim.

W rozdziale czwartym zgromadziłem informacje dotyczące wybranych konstrukcji lotniczych

oraz zastosowania w nich nowych materiałów i rozwiązań technologicznych.

W podsumowaniu przedstawiłem tendencje rozwojowe w tej dziedzinie, analizując

najnowsze projekty i myśli konstruktorów XX i XXI wieku.

Wiadomości zawarte w mojej pracy mogą również stanowić źródło do poszerzania

wiedzy na temat nowoczesnych technologii i materiałów stosowanych w budowie płatowców

współczesnych statków powietrznych. Dołożyłem wszelkich starań, aby dotrzeć do

najnowszych rozwiązań konstrukcji lotniczych oraz na ich podstawie przedstawić

współczesne technologie i materiały.

1. Statki powietrzne – budowa płatowca

Pierwszym udanym płatowcem był skonstruowany w 1903 przez braci Wright samolot

Flyer I który jako pierwszy w historii wykonał lot z napędem silnikowym. Konstruowane

wcześniej przez Otto Lilienthala i Czesława Tańskiego lotnie, nie były płatowcami we

współczesnym rozumieniu tego słowa, choćby ze względu na brak mechaniki skrzydeł i

sterowanie realizowane poprzez zmianę położenia środka ciężkości aerodyny.

Podczas I wojny światowej budowano płatowce konstrukcji drewnianej wzmacnianej

elementami metalowymi głównie w postaci stalowych linek i drutów usztywniających

kratownicową konstrukcję kadłuba, a także wzmacniających konstrukcję skrzydeł. Głównym

materiałem do pokryć ówczesnych płatowców było płótno i sklejka drewniana. Początkowo

jednopłatowe samoloty zostały zastąpione przez dwupłaty, które mogły posiadać znacznie

krótsze skrzydła przy tej samej powierzchni nośnej, co znacznie wpłynęło na zwiększenie ich

zwrotności, bardzo ważnej podczas walk powietrznych. W kadłubach lub na skrzydłach

maszyn montowano przeważnie tłokowe silniki rotacyjne, zastąpione w późniejszym okresie

silnikami gwiazdowymi i rzędowymi.

W okresie międzywojennym konstrukcje płatowców stawały się bardziej

aerodynamiczne, a jako materiał do ich budowy coraz częściej wykorzystywano metal.

Jednym z pierwszych płatowców zbudowanych całkowicie z metalu był samolot transportowy

Douglas DC-3.

Podczas II wojny światowej budowano płatowce głównie z metalu, czasem pokrywając je

sklejką rzadziej płótnem. Do ciekawszych konstrukcji płatowców z tamtego okresu należą

zbudowany w większości z drewna brytyjski De Havilland Mosquito i amerykański

dwukadłubowy myśliwiec dalekiego zasięgu Lockheed P-38 Lightning.

Po zakończeniu wojny i rozpoczęciu ery odrzutowców stało się konieczne budowanie

bardziej wytrzymałych płatowców zdolnych znieść ekstremalne warunki prędkości najpierw

zbliżonych a później znacznie wyższych od prędkości dźwięku. Powszechne stało się

stosowanie reguły pól dla zmniejszenia oporów opływu powietrza przy bardzo dużych

prędkościach. Powstały również konstrukcje maszyn o zmiennej geometrii skrzydeł

pozwalające pogodzić własności maszyn od dużej rozpiętości charakteryzujących się

mniejszymi prędkościami startu i lądowania, i niskie opory powietrza umożliwiające

uzyskanie większych prędkości charakterystycznych dla samolotów o skośnych skrzydłach.

Obecnie budowane płatowce są konstruowane w dużej mierze z materiałów

kompozytowych, a dzięki wspomaganiu sterowania przez nowoczesne systemy komputerowe

ich aerodynamika nie musi być aż tak doskonała. Najbardziej charakterystycznym

przykładem takiego płatowca jest Lockheed F-117 Nighthawk, w którym główny nacisk

położono na zmniejszenie odbicia promieniowania radarowego kosztem aerodynamicznego

kształtu. Także płatowce nowoczesnych samolotów myśliwskich budowane są w taki sposób,

aby były niestabilne w locie. Oznacza to, że w przypadku awarii systemów elektronicznych

samolot taki nie jest w stanie nawet szybować tracąc stabilność lotu. Taki sposób konstrukcji

płatowców jest podyktowany zamiarem zwiększenia zwrotności maszyn myśliwskich,

którymi jest łatwiej sterować podczas gwałtownych manewrów, jeśli nie posiadają naturalnej

stabilności aerodynamicznej [1].

Statkiem powietrznym nazywane jest każde urządzenie służące do lotu w atmosferze,

czyli w gazowej powłoce otaczającej Ziemię [2]. Definiuje się go także jako urządzenie

służące do przewozu ludzi i ładunków w atmosferze ziemskiej [3].

Jeśli zasada lotu urządzenia jest aerostatyczna, mamy do czynienia z aerostatem, jeśli

natomiast lot jest aerodynamiczny, mamy do czynienia z aerodyną.

Podstawową różnicą między aerostatem i aerodyną jest to że aerostat może unosić się w

powietrzu bez potrzeby ruchu względem ośrodka, gdyż siła nośna równoważąca ciężar

powstaje na zasadzie prawa Archimedesa, natomiast w przypadku aerodyny ruch jest

niezbędnym warunkiem lotu, a siła nośna równoważąca ciężar aerodynamiczny jest funkcją

prędkości [2].

Wśród aerodyn wyróżnia się stałopłaty, przemiennopłaty, wiropłaty oraz ornitoptery,

bezpłaty i poduszkowce. Najbardziej rozpowszechnionymi aerodynami są stałopłaty, wśród

których czołową pozycję zajmują samoloty i szybowce [2].

1.1. Stałopłaty

Stałopłaty charakteryzuje sztywne powiązanie powierzchni nośnych – skrzydeł – z

resztą struktury urządzenia, a także uwarunkowanie lotu wykonywaniem ruchu względem

ośrodka z prędkością większą od pewnego minimum. Warunek ten najlepiej widoczny jest w

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: