Stato dell'applicazione dei compositi a base di resina rinforzati con fibre, inclusa l'aramide, negli elicotteri

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Questo documento introduce le caratteristiche rilevanti dei compositi a base di resina rinforzati con fibre e i tipi e le proprietà dei compositi a base di resina rinforzati con fibre comunemente utilizzati negli elicotteri. Descrive le caratteristiche strutturali degli elicotteri, le parti di applicazione specifiche e lo stato attuale dei compositi a base di resina rinforzati con fibre negli elicotteri. Vengono discusse le caratteristiche strutturali, la scelta dei materiali e le funzioni di queste parti applicative negli elicotteri e vengono inoltre anticipate le tendenze future di sviluppo dei materiali compositi per elicotteri. La ricerca mostra che i compositi a base di resina rinforzati con fibre hanno raggiunto un'applicazione diffusa negli elicotteri grazie alle loro eccellenti proprietà dei materiali, svolgendo un ruolo vitale nel progresso della tecnologia degli elicotteri.

01 Introduzione

I materiali compositi sono nuovi sistemi materiali formati combinando diversi materiali con diverse proprietà fisiche e chimiche, come polimeri organici, non metalli inorganici o metalli, attraverso processi compositi, raggiungendo diverse scale e livelli strutturali (microscopici, mesoscopici o macroscopici) attraverso combinazioni spaziali complesse. I materiali compositi utilizzano tipicamente resine, metalli e ceramiche come matrice e materiali di rinforzo ad alte prestazioni come fibre, tessuti e baffi come rinforzi, prodotti attraverso speciali processi compositi di materiali. I materiali compositi possono conservare le caratteristiche originali dei materiali costituenti acquisendo allo stesso tempo nuove proprietà, il che è di grande importanza per migliorare le prestazioni complessive dei materiali. Attualmente, i materiali compositi si sono sviluppati in uno dei quattro principali sistemi di materiali insieme ai materiali metallici, ai materiali inorganici non metallici e ai materiali polimerici. I materiali compositi possiedono molte caratteristiche come elevata resistenza specifica, elevato modulo specifico, basso peso specifico, leggerezza, proprietà progettabili e proprietà chimiche stabili. Se applicati alle strutture degli elicotteri, possono migliorare efficacemente le prestazioni degli aerei, garantire la sicurezza del volo e ottenere una riduzione del peso strutturale. Con il rapido sviluppo dei materiali compositi, l’applicazione e la quantità di materiali compositi avanzati nelle parti chiave degli aeromobili sono diventati uno degli indicatori importanti per misurare il progresso delle strutture degli aeromobili.

02 Materiali compositi a base di resina rinforzati con fibre

I materiali compositi rinforzati con fibre sono materiali compositi preparati mediante vari processi di stampaggio come avvolgimento, stampaggio o pultrusione di fibre di rinforzo e materiali di matrice. Le fibre, in quanto materiali di rinforzo, sono il componente principale dei materiali compositi fibrorinforzati. Le fibre utilizzate sono molto piccole, generalmente con un diametro inferiore a 10 μm, presentano pochi difetti e possiedono elevata resistenza e modulo, rendendole le principali parti portanti del materiale composito. Il materiale della matrice è spesso un materiale resistente con proprietà viscoelastiche ed elastoplastiche, in grado di resistere a grandi sollecitazioni e di servire a legare e proteggere i materiali in fibra, svolgendo un ruolo cruciale nel mantenere l'integrità e la consistenza della struttura composita. I compositi rinforzati con fibre hanno elevata resistenza specifica, elevata rigidità specifica, buone prestazioni di smorzamento e resistenza alla fatica e le loro proprietà possono essere progettate in base ai requisiti, rendendoli la scelta del materiale principale per i componenti compositi nel campo degli elicotteri.

I materiali comunemente utilizzati negli elicotteri sono compositi a base di resina rinforzati con fibre, dove il rinforzo è materiale in fibra ad alte prestazioni e la matrice è materiale in resina ad alte prestazioni. Il tipo, l'orientamento e la quantità delle fibre di rinforzo influenzano in modo significativo la densità, la resistenza e le prestazioni a fatica del materiale composito. I materiali di rinforzo in fibra comunemente usati includono fibra di carbonio, fibra di vetro e fibra aramidica. Il ruolo della matrice resinosa è quello di legare insieme i materiali di rinforzo, proteggere le fibre da fattori fisici e chimici esterni e anche ostacolare la propagazione delle crepe quando le fibre si rompono. La selezione del materiale della matrice in resina determina la tenacità, la resistenza all'invecchiamento da calore umido e la temperatura di servizio del materiale composito. Le matrici resinose sono generalmente classificate in termoindurenti e termoplastiche. Le resine termoindurenti si riferiscono principalmente a resine epossidiche, resine bismaleimmidiche e resine poliimmidiche; le resine termoplastiche includono etilene, nylon, politetrafluoroetilene e polietereterchetone (PEEK). Le resine termoindurenti hanno una lunga storia di applicazioni, mentre le resine termoplastiche sono state introdotte successivamente. Tuttavia il loro sviluppo è stato rapido negli ultimi anni e la loro caratteristica di essere reversibili dopo la polimerizzazione migliora notevolmente la riciclabilità dei materiali compositi. Attualmente, i materiali compositi termoplastici rinforzati con fibre vengono utilizzati in molti elicotteri all'estero. Questo articolo presenta diversi tipi di materiali compositi a base di resina rinforzata con fibre comunemente utilizzati attualmente negli elicotteri.

2.1 Materiali compositi a base di resina rinforzata con fibra di carbonio

La fibra di carbonio è un materiale fibroso di grafite microcristallina con un contenuto di carbonio di circa il 95%. Viene prodotto principalmente carbonizzando e grafitizzando fibre organiche ad alte temperature di 1300 ℃ ~ 1800 ℃ sotto protezione di gas inerte. La fibra di carbonio possiede proprietà eccellenti come elevata resistenza, alto modulo, bassa densità, assenza di scorrimento, resistenza alle alte temperature in ambienti non ossidanti, buona resistenza alla fatica, buona resistenza alla corrosione e buona conduttività elettrica e termica. Attualmente è il materiale di rinforzo più utilizzato e più importante. Tra questi, i compositi a matrice di resina rinforzata con fibra di carbonio, formati combinando fibra di carbonio con materiali in resina, mostrano le migliori prestazioni globali tra i materiali strutturali esistenti e sono più ampiamente utilizzati negli elicotteri, di cui i compositi a matrice di resina epossidica rinforzati con fibra di carbonio ne sono un tipico esempio. Dopo anni di verifica, le matrici di resina epossidica possiedono numerosi vantaggi come eccellenti prestazioni complete, buona lavorabilità e basso costo. Per migliorare ulteriormente le prestazioni e la qualità dei materiali compositi, sono state successivamente sviluppate resine bismaleimmidiche e resine poliimmidiche resistenti alle alte temperature. I compositi rinforzati con fibra di carbonio realizzati con resine bismaleimide e altri materiali come matrici vengono gradualmente applicati negli elicotteri, migliorando la loro adattabilità e durata in ambienti difficili come alte temperature e calore elevato.

2.2 Compositi a matrice di resina rinforzata con fibra di vetro

La fibra di vetro è un materiale inorganico non metallico ad alte prestazioni con elevata resistenza ed elasticità, oltre a vantaggi come forte resistenza al calore, buon isolamento e resistenza alla corrosione. I materiali compositi realizzati con fibra di vetro come materiale di rinforzo possono migliorare efficacemente le prestazioni e la densità del materiale. I compositi a matrice di resina epossidica in fibra di vetro sono utilizzati principalmente negli elicotteri. I materiali compositi costituiti da diversi tipi di fibre di vetro hanno proprietà e applicazioni diverse. In base ai requisiti applicativi pratici, i compositi a matrice di resina rinforzata con fibra di vetro costituiti da tessuto di fibra di vetro, nastro di vetro e fibre tagliate sono comunemente utilizzati nella fabbricazione di componenti di elicotteri.

2.3 Compositi a matrice di resina rinforzata con fibra aramidica

La fibra aramidica è un nuovo tipo di materiale in fibra sintetica ad alte prestazioni, noto anche come fibra di poliammide aromatica. La fibra aramidica possiede un'eccellente resistenza alle alte temperature e proprietà anti-invecchiamento. È leggero ma ad alta resistenza, pesa solo circa 1/5 del peso del filo di acciaio, ma con una resistenza 5-6 volte quella del filo di acciaio. La fibra Kevlar prodotta da DuPont è un tipico esempio di fibra aramidica. Le prestazioni di resistenza e il design leggero forniti dai compositi a matrice di resina rinforzata con fibra aramidica migliorano efficacemente la reattività e la letalità dell'elicottero.

03 Caratteristiche strutturali dell'elicottero

Gli elicotteri possiedono capacità di volo uniche e forme strutturali distintive, che li rendono l'unico mezzo di trasporto attualmente in grado di raggiungere qualsiasi terreno. La struttura dell'elicottero è composta principalmente da due parti: il sistema del rotore e la struttura della fusoliera. Il sistema del rotore dell'elicottero è costituito da due parti principali: le pale del rotore e il mozzo del rotore. Le pale del rotore possono essere ulteriormente suddivise in pale del rotore principale e pale del rotore di coda. Il sistema del rotore è una struttura di componenti mobili unica su un elicottero. La rotazione del rotore fornisce portanza, forza di controllo e spinta in avanti, consentendo all'elicottero di eseguire varie operazioni aeree, tra cui decollo e atterraggio verticale, volo stazionario, volo in avanti, volo laterale, volo con inversione a U e volo a bassa quota. Inoltre, in caso di guasto al motore, il sistema del rotore può utilizzare l'energia cinetica di rotazione esistente e l'energia potenziale dell'elicottero per ruotare automaticamente il rotore, garantendo una discesa sicura e un atterraggio planato.

La struttura della fusoliera è un componente cruciale che supporta e protegge le parti e i sistemi dell'elicottero, collegandoli in un tutto unificato. È responsabile del trasporto e del trasporto del personale, delle attrezzature e dei rifornimenti. La forma della struttura della fusoliera influisce in modo significativo sulle prestazioni di volo, sulla manovrabilità e sulla stabilità dell'elicottero. Le strutture della fusoliera degli elicotteri devono dare priorità alla riduzione del peso e gli elicotteri militari devono anche considerare caratteristiche di progettazione come l'antiproiettile, la resistenza agli urti, la furtività e l'assorbimento di energia. Inoltre, gli elicotteri generalmente volano ad altitudini inferiori a 6000 m, con alcuni che raggiungono anche i 15 m, rendendoli velivoli ad altitudini medio-basse. I loro ambienti operativi principali sono condizioni difficili come umido/caldo, secco/freddo, tempeste di sabbia/pioggia e acqua di mare. Pertanto, le cellule degli elicotteri richiedono in genere un'eccellente resistenza agli agenti atmosferici e alla corrosione per soddisfare i severi requisiti di diverse regioni e climi.

04 Applicazione di materiali compositi a base di resina rinforzata con fibre negli elicotteri

4.1 Pale del rotore

Lo sviluppo rivoluzionario dei materiali compositi negli elicotteri iniziò negli anni '60 con lo sviluppo di successo di pale rotanti composite rinforzate con fibra di vetro per elicotteri come il BO-105 di MBB (Messerschmitt-Bolkow-Blohm) nella Germania occidentale, l'SA341 "Gazelle" di Aerospatiale in Francia e il Ka-26 di Kamov in Russia. Ciò segnò l'inizio dell'applicazione delle pale del rotore in composito negli elicotteri.

Oggi, la tecnologia degli elicotteri è arrivata alla terza e quarta generazione, con pale del rotore ampiamente progettate e realizzate utilizzando materiali compositi. Rispetto alle pale metalliche utilizzate nei primi elicotteri, le pale composite hanno una durata significativamente più lunga, generalmente superiore a 6.000 ore, a differenza della tipica durata di 2.000 ore delle pale metalliche. Le lame composite sono più facili da riparare, hanno costi di manutenzione inferiori, cicli di manutenzione più brevi e consentono l'intercambiabilità della lama singola. L'applicazione di pale composite ha notevolmente migliorato l'efficienza operativa e la sicurezza degli elicotteri, ridotto il costo totale della durata di vita delle pale del rotore dell'elicottero e apportato notevoli vantaggi economici.

I compositi a matrice di resina rinforzata con fibre, grazie alle loro eccellenti prestazioni e progettabilità, sono stati ampiamente utilizzati nelle pale composite degli elicotteri, rappresentando circa il 70% dell'attuale utilizzo delle pale. I componenti realizzati con compositi a matrice di resina rinforzata con fibre nelle pale composite includono principalmente rivestimenti, longheroni e riempitivi per giunti, che sono tutti componenti chiave della pala. I compositi a matrice di resina rinforzata con fibre utilizzati nella produzione di pale, noti anche come prepreg, sono realizzati preimpregnando materiali in fibra in una matrice di resina sotto stretto controllo.



La pelle è un componente cruciale di supporto del carico e modellatura della lama, fornendo rigidità torsionale e tetanica primaria. È composto principalmente da preimpregnato in fibra di carbonio e preimpregnato in fibra di vetro e diverse opzioni di stratificazione della pelle consentono la progettazione e la produzione di pale composite con diverse qualità prestazionali. I longheroni sono il principale componente portante della pala composita, situati sul bordo d'attacco. Quest'area funge tipicamente da lato sopravvento durante la rotazione della pala ed è soggetta alla massima resistenza al vento, richiedendo quindi elevata resistenza strutturale e rigidità. I longheroni sono realizzati principalmente in materiale composito a base di resina rinforzata con fibra di vetro ad alta resistenza, tipicamente disposto lungo la campata della pala. Il riempitivo del giunto è realizzato in materiale composito a base di resina a fibre tritate, generalmente utilizzando fibre di vetro tritate. Situato alla radice della pala, il riempitivo del giunto deve essere preformato prima dello stampaggio e dell'assemblaggio della pala. La radice della pala si collega al mozzo e tutti i carichi dinamici e statici vengono trasferiti al mozzo attraverso di essa, rendendola la parte più complessa della struttura della pala sotto stress. A causa dei numerosi e complessi componenti alla radice della pala, le prestazioni, la forma e il posizionamento del riempitivo del giunto influiscono direttamente sulla qualità e sulla resistenza dello stampaggio della pala. Inoltre, le lamelle del bordo d'uscita, che svolgono un ruolo cruciale nella regolazione dell'oscillazione della pala, sono generalmente realizzate con compositi a matrice di resina rinforzata con fibra di vetro ad alta resistenza. Attualmente, le pale composite degli elicotteri domestici utilizzano principalmente compositi a matrice di resina rinforzata con fibre che polimerizzano a media temperatura, impiegando un metodo di stampaggio a compressione di co-polimerizzazione una tantum. Le lame in composito esterno utilizzano processi di incollaggio secondario e polimerizzazione ad alta temperatura durante la produzione. Con il rapido sviluppo di nuovi materiali, processi e attrezzature, le pale composite degli elicotteri apriranno possibilità ancora maggiori in futuro.

4.2 Mozzo della lama

Il mozzo delle pale è un componente vitale che monta le pale del rotore e collega il sistema del rotore ai sistemi di trasmissione e controllo. I mozzi a pale tradizionali sono per lo più realizzati in metallo, assemblati da molte parti di precisione, il che comporta una configurazione molto complessa e costi di produzione e manutenzione elevati. Come semplificare la progettazione strutturale, ridurre le difficoltà di produzione e ottenere una riduzione del peso strutturale garantendo al contempo prestazioni e qualità del mozzo della pala è sempre stato al centro degli sforzi di ricerca. Con lo sviluppo e l'applicazione di materiali compositi, sono emerse nuove scoperte e possibilità nella progettazione e produzione di mozzi per rotori semplici nella struttura, stabili nelle prestazioni, sicuri, affidabili e altamente efficienti.

Attualmente, la principale ricerca applicativa dei materiali compositi nelle strutture dei mozzi dei rotori si concentra sulla realizzazione di strutture dei mozzi dei rotori senza cuscinetti utilizzando le proprietà dei materiali compositi. I mozzi dei rotori senza cuscinetti eliminano i tre cardini meccanici dei movimenti di sbattimento, beccheggio e imbardata, rappresentando un importante passo avanti nella tecnologia dei rotori e indicando la direzione di sviluppo della tecnologia di progettazione dei rotori. Le strutture del mozzo del rotore senza cuscinetti utilizzano travi e manicotti flessibili per sostituire le cerniere meccaniche in queste tre direzioni, dove la trave flessibile è il componente chiave. Nei sistemi con rotore senza cuscinetti, i gradi di libertà per i movimenti di sbattimento, beccheggio e imbardata delle pale sono tutti forniti dalla deformazione della trave flessibile. L'emergere della trave flessibile può semplificare notevolmente la struttura del rotore, ridurre i componenti di assemblaggio e abbassare i costi di manutenzione. La costruzione della trave flessibile è molto complessa. Considerando le rigorose condizioni di carico e i requisiti prestazionali come la deformazione ammissibile dei materiali utilizzati nella sua fabbricazione, i compositi a matrice di resina rinforzata con fibra di vetro ad alte prestazioni sono selezionati principalmente per la produzione di travi flessibili. La tecnologia del fascio flessibile per gli elicotteri è matura all'estero e i rotori senza cuscinetti sono stati applicati con successo a vari elicotteri, come l'EC-135 e il RAH-66. Sono in corso anche la ricerca e lo sviluppo nazionali di tecnologie di progettazione e fabbricazione di strutture a trave flessibile e si prevede che questa nuova tecnologia del rotore verrà applicata con successo agli elicotteri domestici nel prossimo futuro.

4.3 Struttura della cellula

Le cellule degli elicotteri hanno grandi superfici curve, che le rendono adatte alla fabbricazione utilizzando compositi a matrice di resina rinforzata con fibre. A causa delle numerose superfici curve complesse e a pareti sottili, un gran numero di componenti, come la cabina di pilotaggio, la carenatura del bordo anteriore e la carenatura del trave di coda, utilizzano strutture sandwich a nido d'ape realizzate con compositi a matrice di resina rinforzata con fibre. Gli elicotteri operano in ambienti esterni difficili, in particolare gli elicotteri militari, che sono spesso esposti ad alte temperature, elevata umidità, pioggia e nebbia salina. Considerando l'impatto degli ambienti caldi e umidi, la polimerizzazione ad alta temperatura garantisce una polimerizzazione completa, minimizzando l'impatto ambientale e riducendo il degrado delle prestazioni. I principali componenti portanti della struttura della cellula sono per lo più realizzati con compositi a matrice di resina rinforzata con fibre polimerizzati ad alta temperatura, mentre i componenti portanti secondari sono spesso realizzati con compositi polimerizzati a media temperatura. Oltre ai compositi a matrice di resina rinforzata con fibra di carbonio e fibra di vetro comunemente usati, i compositi a matrice di resina rinforzata con fibra aramidica sono ampiamente utilizzati anche nei componenti di elicotteri, come stabilizzatori orizzontali, carenature, carenature di coda e coperture di accesso per la manutenzione. Il vano motore dell’elicottero e le aree circostanti, come l’ugello di scarico del motore, le prese d’aria e le carenature del vano motore, sono ora realizzati utilizzando compositi a matrice di resina rinforzata con fibra di vetro resistenti alle alte temperature, in sostituzione delle tradizionali leghe di titanio. L'applicazione di questo tipo di materiale ostacola efficacemente la propagazione del fuoco in situazioni pericolose, garantendo la sicurezza e l'affidabilità dell'elicottero.

05 Conclusione

I compositi a matrice di resina rinforzata con fibre sono stati ampiamente utilizzati nelle strutture di elicotteri grazie alle loro eccellenti proprietà dei materiali, fornendo un contributo significativo al progresso della tecnologia degli elicotteri. Lo sviluppo futuro della tecnologia degli elicotteri domestici perseguirà alta efficienza, lunga durata, alta affidabilità e basso costo, portando a requisiti sempre più rigorosi sia per i materiali che per le strutture e creando un bisogno urgente di materiali compositi ad alte prestazioni, tecnologie di progettazione avanzate e processi di produzione. Con il progresso della ricerca e dello sviluppo di tecnologie di materiali compositi strutturali ad alte prestazioni, rappresentate da fibre di carbonio ad alta resistenza e alto modulo di grado T1100 e matrici di resina termoplastica ad alte prestazioni, è possibile ottenere una riduzione del peso strutturale e il riciclaggio di compositi a matrice di resina rinforzata con fibre garantendo al tempo stesso le prestazioni strutturali dei materiali compositi per elicotteri. L’applicazione di una tecnologia di simulazione digitale avanzata alla produzione di strutture in materiale composito può garantire una migliore qualità delle parti e ridurre significativamente gli sprechi di materiali e risorse. L’applicazione diffusa di tecnologie di stampaggio automatizzato di materiali compositi a basso costo, come il posizionamento automatizzato delle fibre, aiuta anche a ridurre i costi di produzione e a migliorare l’efficienza produttiva.

Inoltre, la localizzazione dei materiali applicativi per elicotteri rimane una direzione verso cui continuiamo a perseguire e una tendenza di sviluppo futuro. Migliorando la varietà e le prestazioni dei materiali, i materiali compositi domestici ad alte prestazioni devono allinearsi ulteriormente con le tecnologie internazionali avanzate dei materiali compositi. Si ritiene che con il progresso della ricerca e dello sviluppo e gli sforzi congiunti di tutti, l'applicazione di compositi a matrice di resina rinforzata con fibre per elicotteri nel mio paese aprirà un nuovo capitolo.