Od kilku dziesięcioleci obserwujemy rosnący udział komponentów kompozytowych w budowie samolotów pasażerskich. Producenci sięgają po coraz to nowe innowacyjne rozwiązania konstrukcyjne z wykorzystaniem kompozytów, nie tylko rywalizując między sobą o pozycję nadynamicznie zmieniającym się rynku, ale także wychodząc naprzeciw rosnącym wymaganiom użytkowników.
Kompozyty cechują się dużą sztywnością i wytrzymałością mechaniczną, a jednocześnie sąstosunkowo lekkie. Dlatego znakomicie sprawdzają się jako materiał konstrukcyjny w branży lotniczej, przyczyniając się do redukcji masy statków powietrznych, a także, co za tym idzie, do zwiększenia osiągów i/lub zmniejszenia zużycia paliwa. Od czasów tzw. kryzysu paliwowego z lat siedemdziesiątych koszty paliwa stały się jednym z bardziej istotnych czynników mających wpływ na koszty eksploatacji samolotów pasażerskich.
Z drugiej strony, od początku obecnego stulecia, coraz wyraźniej widoczna jest tendencja do redukcji zużycia paliwa także z przyczyn ekologicznych, związanych z dążeniem do ograniczenia emisji szkodliwych substancji do atmosfery. Wypadkowa wyżej wspomnianych uwarunkowań i rosnąca konkurencja skłania do dynamicznej modyfikacji konstrukcji samolotów nie tylko innowacyjnych wizjonerów, ale także potentatów branży lotniczej.
Boeing stawia na kompozyty
Taki właśnie mechanizm zadziałał w przypadku Boeinga 777, najbardziej dochodowego modelu amerykańskiej marki. Ten największy dwusilnikowy szerokokadłubowy samolot pasażerski, będący pierwszą tego typu konstrukcją zaprojektowaną w całości przy użyciu oprogramowania CAD, poraz pierwszy wzniósł się w powietrze w 1994 roku. Do dziś powstało 1616 egzemplarzy. Przy czym po dwudziestu latach, mimo wciąż rozszerzanej oferty wariantów (777-200ER i LR: odpowiednio extended i long range – o zwiększonym zasięgu oraz 777-300, dłuższy o 20%) w obliczu rywalizacji ze strony nowocześniejszych konstrukcji, takich jak Airbus A350XWB, czy nawet Boeing 787 Dreamliner, triple seven, nawet wyposażony w nowe silniki, przestał być konkurencyjny. Kierownictwo Boeinga postanowiło więc wykorzystać innowacje, wypracowane przy nowszym projekcie 787, do modernizacji konstrukcji 777. Najnowszy model, 777X, został wyposażonyw skrzydła z CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer), z wychylonymi wingletami, o łącznej rozpiętości 71 m, co czyni je największymi skrzydłami skonstruowanymi przez Boeinga i największymi skrzydłami kompozytowymi na świecie. W obu skrzydłach znajdują się dwa, w całości kompozytowe dźwigary, każdy o długości 30 m. Poszycie wykonano z kompozytowych paneli, po dwa na każde skrzydło (z wierzchu i od spodu). Konstruktorzy zdecydowali się przy tym na zastosowanie mechanizmu składania wingletów, umożliwiającego maszynie zmieszczenie się napasie typu E standardu ICAO (International Civil Aviation Organization) – większe pasy, typu F, obsługujące Airbusy A380 i Boeingi 747-8 znajdują się jedynie na największych lotniskach, np. w Dubaju.
Na potrzeby produkcji skrzydeł dla 777X powstała nowa hala Composite Wing Center w Everett, o powierzchni ponad 100 000 m2, wyposażona w trzy największe na świecie autoklawy, o szerokości 8,5 m i głębokości 36 m, a także chłodnię o powierzchni ponad 800 m2, gdzie w temperaturze –25 °C przechowywane są preimpregnowane kompozyty węglowe.
W budowie najnowszej wersji triple seven wykorzystywane są technologie opracowane na podstawie doświadczeń z młodszą konstrukcją Boeinga, modelem 787 Dreamliner. Oblatany w grudniu 2009 roku Dreamliner to pierwszy samolot pasażerski z kadłubem, ogonem i skrzydłami wykonanymi z materiałów kompozytowych, co w stosunku objętościowym stanowi 80% struktury podstawowej płatowca, a w stosunku wagowym 50%. Przy projektowaniu, inżynierowie Boeinga uwzględnili nowe możliwości konstrukcyjne, oferowane przez technologie kompozytowe. W rezultacie, kadłub Dreamlinera powstaje z segmentów, z których każdy jest wykonany w całości jako jeden element z kompozytów węglowych metodą AFP (Automated Fibre Placement).
Technologia AFP
Opracowana dla przezwyciężenia ograniczeń manualnego procesu produkcyjnego elementów kompozytowych, metoda AFP polega na zautomatyzowanym nakładaniu na formę lub przyrząd pasów preimpregnowanych włókien, dostarczanych do głowicy w postaci wąskich taśm nawiniętych na szpule. Specjalnie skonstruowane głowice systemu AFP wykonują cały szereg operacji związanych z układaniem, orientacją i przecinaniem włókien, a także rozpoczynaniem i kończeniem wątków. Taśmy są zbierane równolegle z wielu szpul i kompaktowane w obrębie rolki głowicy, przy użyciu ciepła i siły nacisku. Źródłem ciepła są zazwyczaj efektory oparte o promieniowanie laserowe lub podczerwone, zapewniające precyzyjną kontrolę temperatury procesu. Do cięcia włókien wykorzystywane są przecinarki ultradźwiękowe.
W przypadku wielkogabarytowych elementów kompozytowych, głowica AFP jest instalowana na manipulatorze bramowym, czy też na ramieniu robota przemysłowego. W przypadku elementów o złożonej geometrii, wykorzystywany jest dodatkowo specjalny, ruchomy pozycjoner. Ze względu na wysokie wymagania, stawiane komponentom w branży lotniczej, bardzo istotna jest precyzja ułożenia pojedynczych taśm, jak i całych wątków, w sposób wykluczający powstawanie przerw, wyszczerbień czy pęcherzy w strukturze elementu. Systemy AFP wyposażone są więc często w zintegrowaną z głowicą aparaturę monitoringu procesu, obejmującą moduły wizyjne i metrologiczne, a także nadzorujące zużycie i parametry materiałów.
W przypadku kadłuba Dreamlinera, poszycie każdej sekcji powstaje jako całość na przyrządzie, gdzie uprzednio umieszczane są podłużnice, także wykonane metodą AFP. Na tak przygotowanym podłożu, maszyny AFP układają kolejne warstwy prepregów węglowych, w taki sposób, że poszycie łączy się z podłużnicami. Po inspekcji i odpowiednim przygotowaniu, cała sekcja trafia do autoklawu w celu utrwalenia pod wpływem odpowiedniej temperatury i ciśnienia.
Alternatywa od Bombardiera
Podejście do konstruowania wielkogabarytowych elementów kompozytowych metodą AFP zakłada produkcję jak największych podzespołów płatowca jako jedną całość, która następnie podlega utrwaleniu w autoklawie. Alternatywną metodę zaprezentował irlandzki oddział Bombardiera, konstruując dla modelu C Series (obecnie Airbus A220) pierwsze na świecie skrzydło samolotu pasażerskiego wytwarzane metodą infuzji.
Autorska technologia RTI (Resin Transfer Infusion) to pierwszy przypadek zastosowania infuzji do produkcji tak dużych elementów w branży lotniczej. Dzięki wykorzystaniu suchych, nieimpregnowanych włókien nie wymaga specjalnych warunków przechowywania surowców, a materiały konstrukcyjne mogą być magazynowane przez znacznie dłuższy czas niż w przypadku prepregów. Suche zbrojenia są układane w formie a infuzja żywicy przebiega pod przykryciem workiem próżniowym. Kolejne podzespoły skrzydła zostają następnie sparowane i razem utrwalone w autoklawie.
Rosyjska innowacja
Tymczasem w rosyjskim ośrodku AeroComposit opracowano technologię produkcji elementów kompozytowych, w której zupełnie zrezygnowano z użycia nie tylko prepregów, ale i autoklawu (OOA – Out Of Autoclave). Specjalnie opracowane materiały umożliwiają wykorzystanie metody AFP do aplikacji suchego zbrojenia. Technologia ta jest wykorzystywana do produkcji samolotu MS-21, produkowanego przez Irkut Corporation.
MS-21 to wąskokadłubowy samolot pasażerski średniego zasięgu zaprojektowany przez Irkut, we współpracy z biurem konstrukcyjnym Jakowlewa. Po raz pierwszy wzniósł się w powietrze w maju 2017, a do produkcji miał trafić rok później, przy czym w wyniku sankcji nałożonych na Rosję przez Stany Zjednoczone i państwa sprzymierzone, produkcja opóźniła się. Główną przyczyną przełożenia terminów dostaw samolotów była konieczność zastąpienia surowców i podzespołów importowanych produktami krajowymi. Fakt, że rosyjskim inżynierom udało się tego dokonać bez ingerencji w konstrukcję samolotu jest dużym osiągnięciem tamtejszego przemysłu, co dotyczy także branży kompozytowej, gdyż materiały na potrzeby MS-21 dostarczyły rodzime zakłady Ałabuga-Wołokno. W budowie samolotu szereg komponentów wykonano z kompozytów, które w stosunku wagowym przekładają się na ok. 45% masy struktury konstrukcyjnej płatowca.
Spośród komponentów zbudowanych z CFRP, metodą OOA wykonano podzespoły skrzydeł, w tym poszycie, dźwigary i podłużnice. Materiał na podłużnice jest aplikowany na płasko, metodą AFP, po czym po podgrzaniu, zaginany jest na kształt litery L. Dwa razem sparowane elementy L-kształtne tworzą docelową podłużnicę T-kształtną, która następnie jest umieszczana na uprzednio wykonanym, również techniką AFP, poszyciu. Tak przygotowane złożenie zostaje przygotowane do infuzji z wykorzystaniem worka. Proces przebiega w temperaturze 100 °C. Po nim następuje utrwalenie w 180 °C. W podobny sposób, na specjalnym przyrządzie, powstają dźwigary. Każda część przechodzi następnie badania nieniszczące metodą ultradźwiękową.
Podsumowanie
W warunkach panujących na rynku samolotów pasażerskich, innowacyjne rozwiązania mają potencjał zapewnienia przewagi nad konkurencją. Rozwój technologii kompozytowych na potrzeby produkcji wielkogabarytowych podzespołów konstrukcji płatowca determinowany jest przez szereg czynników. Przy wykorzystaniu metody AFP i autoklawów producenci zyskują na wydajności zautomatyzowanego procesu i sprawdzonej jakości utrwalonej struktury wytwarzanego elementu. Dzięki autoklawom nie muszą także obawiać się o porowatość. Z kolei infuzja pozwala zapomnieć o ścisłej kontroli warunków i czasu przechowywania prepregów, a także pozwala na osiągnięcie wymiernych korzyści ekonomicznych w wypadku rezygnacji z autoklawów. Trudno bowiem byłoby zaakceptować konieczność budowy nowych zakładów, z jeszcze większymi autoklawami, na potrzeby nowej generacji samolotów, skoro kompozytowe podzespoły stają się nie tylko liczniejsze, ale także coraz większe.
Jacek Zbierski
boeing.com
bombardier.com
coriolis-composites.com
electroimpact.com
irkut.com
spiritaero.com
artykuł pochodzi z wydania 10 (145) październik 2019
