Smart intelligent flygplansstruktur

Termen "smarta strukturer" används ofta för strukturer som har förmågan att anpassa sig till miljöförhållanden enligt designkraven. Som regel är justeringarna utformade och utförda för att öka effektiviteten eller säkerheten hos strukturen. Genom att kombinera "smarta strukturer" med den "förfining" som uppnås inom materialvetenskap , informationsteknik , mätvetenskap, sensorer , ställdon , signalbehandling , nanoteknik , cybernetik , artificiell intelligens och biomimetik , kan man prata om smarta intelligenta strukturer. Med andra ord, strukturer som kan känna av sin omgivning, självdiagnostiserar sitt tillstånd och anpassar sig på ett sådant sätt att designen blir mer användbar och effektiv.

Konceptet med Smart Intelligent Aircraft Structures erbjuder betydande förbättringar av flygplanets totalvikt, tillverkningskostnad och framför allt driftskostnad genom en integration av systemuppgifter i den lastbärande strukturen. Det hjälper också till att förbättra flygplanets livscykel och minska dess underhåll. Individuella morphing-koncept har också förmågan att minska buller från flygplansskrov och därmed minska effekten av flygtrafikbuller nära flygplatser. Dessutom har minskningar av fartmotståndet en positiv effekt på bränsleförbrukningen och den nödvändiga bränslebelastningen vid start.

Morphing strukturer

Vingar med fast geometri är optimerade för en enda designpunkt, identifierad genom höjd , Machnummer , vikt etc. Deras utveckling är alltid en kompromiss mellan designpunkter och off-designpunkter, hänvisade till ett typiskt uppdrag. Detta betonas för civila flygplan där flygprofiler nästan är standard. Ändå kan det förekomma att flyga i höga hastigheter och låg höjd med låg vikt över en kort sträcka eller att flyga i låga hastigheter och hög höjd med maximal belastning för en längre räckvidd. Lyftkoefficienten på upp till 30 % när bränslet förbrukas. Dessa förändringar skulle kunna kompenseras av vingens vridningsvariationer för att uppnå optimal geometri för alla flygförhållanden, vilket förbättrar aerodynamiska och strukturella prestanda.

Befintliga flygplan kan inte ändra form utan aerodynamiska luckor, något som kan lösas med Smart Intelligent Structures. Genom att säkerställa detaljerad övervägande av strukturella behov under ett flygplans hela livslängd och fokusera på den strukturella integrationen av nödvändiga tidigare kapaciteter, kommer Smart Intelligent Aircraft Structures att tillåta flygplanskonstruktörer att seriöst överväga konforma morphing-teknologier. Det minskade luftmotståndet under start, kryssning och landning för framtida och ekologiskt förbättrade civila flygplansvingar kan uppnås genom naturligt laminär vingteknologi, genom att integrera en gapfri och deformerbar framkantsanordning med lyftkapacitet. En sådan morfande struktur består typiskt av en flexibel yttre hud och en inre drivmekanism (Figur 1). Nuvarande flygplanskonstruktioner använder redan winglets som syftar till att öka kryssningsflygningens effektivitet genom inducerad luftmotståndsminskning. Smarta intelligenta strukturer föreslår en toppmodern teknik som inkluderar en aktiv bakkant på vingspetsen , vilket kan vara ett sätt att minska ving- och vingbelastningarna vid viktiga flygförhållanden.

Strukturell hälsoövervakning

En annan komponent i en "intelligent" flygplansstruktur är förmågan att känna av och diagnostisera potentiella hot mot dess strukturella integritet. Detta skiljer sig från konventionella icke-förstörande tester (NDT) genom det faktum att Structural Health Monitoring (SHM) använder sensorer som är permanent bundna eller inbäddade i strukturen. Kompositmaterial , som är mycket känsliga för dolda inre defekter som kan uppstå under tillverkning och bearbetning av materialet eller när strukturen utsätts för driftsbelastningar, kräver en betydande mängd inspektioner och defektövervakning med regelbundna intervall. Således ökar den ökande användningen av kompositmaterial för flygplanskomponenter i primärstruktur avsevärt deras livscykelkostnader . Enligt vissa uppskattningar kan över 25 % av livscykelkostnaden för ett flygplan eller en rymdstruktur, som inkluderar kostnader för förproduktion, produktion och efterproduktion, hänföras till drift och support, som involverar inspektion och underhåll. Med avkänningsteknik som minskar i kostnad, storlek och vikt, och sensorsignalens bearbetningseffekt kontinuerligt ökar, har en mängd olika tillvägagångssätt utvecklats som möjliggör integration av sådana avkänningsalternativ på eller in i strukturella komponenter .

Även om de är tillgängliga i princip har ingen av dessa SHM-teknologier för närvarande uppnått en tillräcklig mognadsnivå så att SHM på ett tillförlitligt sätt kan tillämpas på verkliga tekniska strukturer. En verklig minskning av livscykelkostnader relaterade till underhåll och inspektioner kan endast uppnås genom att SHM-system utformade som " felsäkra " komponenter och ingår i ett skadetoleransbedömningsscenario , som kan minska inspektionstiderna (eller deras intervall) genom att undersöka strukturera snabbt och tillförlitligt och undvika den tidskrävande demonteringen av konstruktionsdelar.

Multifunktionella material

Fördelarna med kolfiberförstärkta polymerer (CFRP) jämfört med metalliska material när det gäller specifik styvhet och styrka är välkända. Under de senaste åren har efterfrågan på kompositmaterial med integrerade multifunktionella möjligheter ökat kraftigt för användning i flygkonstruktioner.

En stor nackdel med CFRP för primära strukturella tillämpningar är dock deras låga seghet och skadetolerans. Epoxihartser är spröda och har dålig slaghållfasthet och motståndskraft mot sprickutbredning , vilket resulterar i otillfredsställande nivåer av robusthet och tillförlitlighet. Detta resulterar i konstruktioner med stora säkerhetsmarginaler och komplexa inspektionsoperationer. Dessutom, genom att öka den relativa andelen kompositkomponenter i nya flygplan, har utmaningar avseende elektrisk ledningsförmåga uppstått såsom skydd mot blixtnedslag , statisk urladdning , elektrisk bindning och jordning , interferensskärmning och strömretur genom strukturen. Dessa nackdelar kan lösas genom att använda framväxande teknologier såsom nanokompositer , som kombinerar mekaniska, elektriska och termiska egenskaper.

Nanopartikelförstärkta hartser har visat sig erbjuda två distinkta fördelar jämfört med nuvarande hartssystem. Först och främst kan de ge en ökning av brottsegheten med upp till 50 % för äldre flytande hartsinfusionshartser (LRI) och 30 % i mer avancerade system. För det andra förbättrar perkolerade nanopartiklar drastiskt hartsets ledningsförmåga och förvandlar den från en perfekt isolator till en halvledare . Medan förbättrade skadetoleransegenskaper direkt kan leda till strukturella viktbesparingar, kan utnyttjandet av elektriska egenskaper också möjliggöra ett enklare, och därmed billigare, Electrical Structure Network (ESN).

Att driva forskningsaktiviteter för att implementera ovanstående teknologier på flygplan

Utvecklingen av dessa tekniker för framtida luftkonditionering pågår för närvarande (2011 – 2015) ett projekt, delvis finansierat av Europeiska kommissionen , kallat "SARISTU" (Smart Intelligent Aircraft Structures) med en total budget på 51 000 000 €. Detta initiativ koordineras av Airbus och samlar 64 partners från 16 europeiska länder. SARISTU fokuserar på kostnadsreduktion av flygresor genom en mängd olika individuella tillämpningar såväl som deras kombination. Specifikt är integreringen av olika konforma morphing-koncept i en laminär vinge avsedd att förbättra flygplanets prestanda genom en 6 % minskning av luftmotståndet, med en positiv effekt på bränsleförbrukningen och den nödvändiga bränslebelastningen vid start. En sidoeffekt kommer att vara en minskning med upp till 6 dB(A) av det buller som genereras av skrovet, vilket minskar påverkan från flygtrafikbuller i närheten av flygplatser. Nyligen genomförda beräkningar och Computational Fluid Dynamics Analysis indikerar att målet sannolikt kommer att överskridas men att det fortfarande kommer att behöva kompenseras mot en eventuell viktstraff.

Ett annat förväntat resultat är att begränsa integrationskostnaderna för strukturella hälsoövervakningssystem (SHM) genom att flytta systemintegrationen så långt framåt i tillverkningskedjan som möjligt. På detta sätt blir SHM-integration ett genomförbart koncept för att möjliggöra kostnadsreduktioner för besiktning med upp till 1 %. Strukturella hälsoövervakningsrelaterade försök indikerar att specifika flygplansinspektioner kan ge större fördelar än vad som ursprungligen förväntades.

Slutligen förväntas införandet av kolnanorör i flyghartser möjliggöra viktbesparingar på upp till 3 % jämfört med det omodifierade skin/stringer/frame-systemet, medan en kombination av teknologier förväntas minska installationskostnaderna för elektriska strukturnätverk med upp till 15 %.

externa länkar