Vật liệu máy bay đã thay đổi như thế nào trong những năm qua?

Hơn một thế kỷ trước, vào tháng 12 năm 1903, chuyến bay có người lái đầu tiên của anh em nhà Wright đã diễn ra trên tàu Wright Flyer ở Kitty Hawk, Bắc Carolina. Nó là chiếc máy bay nặng hơn không khí, được điều khiển, chạy bằng năng lượng đầu tiên . Máy bay được chế tạo bằng gỗ, dây điện và vải trên các bộ phận chính. Kể từ thời điểm đó, những tiến bộ lớn trong vật liệu kết cấu máy bay đã được chú ý.

Thời đại của anh em nhà Wright

Nhiều loại gỗ, dây kim loại và vải có mật độ khác nhau đã được sử dụng để sản xuất Tờ rơi Wright. Nhà Wrights đã sử dụng vân sam cho các phần thẳng của cánh, chẳng hạn như các thanh cánh. Gỗ tần bì được sử dụng cho các bề mặt cong, bao gồm cả các đường gân của cánh. Khung gỗ được bao phủ bởi một tấm vải bông dệt mịn, được sơn kín bằng sơn dầu parafin. Các phụ kiện kim loại trên khung máy bay được làm từ thép nhẹ.

Vải muslin được sử dụng trên các tấm cánh trên và dưới. Các cạnh đầu của cánh được buộc dây bằng các đường dệt để giữ dây. Gân cánh nhô ra ở nhiều vị trí để buộc vào dây. Một số phần được khâu lại với nhau theo độ lệch để tạo ra các đường nối “đầy đủ” hoặc “một phần” cần thiết.

Để cung cấp năng lượng cho máy bay, một động cơ xăng nhẹ 12 mã lực (9 kW) đã được thiết kế. Động cơ nặng khoảng 180 lbs (82 kg) với bình xăng một gallon (3,78 L). Lõi của động cơ có khung sắt nhôm cứng với các pít-tông bằng gang và bộ truyền động xích xích. Các bộ phận khác của động cơ được làm từ thép và gang, ngoại trừ các điểm đánh lửa có chứa bạch kim.

Khung máy bay hiện đại

Vào giữa những năm 1900, các nhà sản xuất hàng không đã cải tiến thiết kế khung máy bay, kết hợp giữa tốc độ và độ an toàn. Một tiến bộ đáng kể từ các thiết kế trước đó cho phép máy bay bay cao hơn với tốc độ tăng lên. Ford Tri-Motor, chiếc máy bay chở khách đầu tiên, được làm bằng nhôm vào năm 1928. Nhôm là vật liệu bền nhưng nhẹ mang lại sự an toàn và độ bền. Nhiều khung máy bay tròn được làm hoàn toàn bằng nhôm bắt đầu xuất hiện. Các cánh bao gồm các phần bên trái, bên phải và giữa được sản xuất bằng nhiều loại kim loại và được bắt vít lại với nhau.

Các bề mặt điều khiển như cánh quạt, bánh lái, cánh tà và thang máy được làm bằng khung hợp kim nhôm. Trong một số máy bay, chẳng hạn như Douglas DC-3 , các bề mặt điều khiển được bao phủ bởi vải. Các phương pháp sản xuất và gia công hạn chế độ nhẵn bề mặt mong muốn đối với dòng chảy tầng trên cánh. Dòng chảy hỗn loạn qua cánh (vừa qua mép trước) sẽ dẫn đến lực nâng bị gián đoạn và lực cản tăng lên.

Các nhà sản xuất thực thi sức mạnh cấu trúc bằng cách kết hợp các hợp kim kim loại khác nhau vào thiết kế. Việc sử dụng nhiều các kim loại khác, bao gồm thép và titan, cho các cấu trúc, bắt đầu với các máy bay phản lực hiện đại hơn vào thời điểm đó. Máy bay Boeing 747 chủ yếu được sản xuất bằng nhôm, với một số thành phần có các kim loại và hợp kim khác.

Những kim loại này có khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn, đồng thời mang lại sức mạnh to lớn cho khung máy bay. Thông qua thiết kế chắc chắn, các nhà sản xuất đảm bảo rằng cấu trúc không bị hỏng hoàn toàn ngay cả khi một phần cấu trúc bị hỏng. Nếu một phần cụ thể của khung máy bay bị vỡ do mỏi, lớp vỏ chịu lực của khung máy bay sẽ ngăn không cho toàn bộ cấu trúc bị hỏng.

Cấu trúc tổng hợp

Vào đầu những năm 1970, Pháp và Đức bắt đầu một dự án hoàn toàn mới thuộc Airbus Industrie mới thành lập, Airbus A300 . Máy bay được thiết kế để chở 250 hành khách trong cấu hình hai hạng và bay trên một phạm vi 2.900 NM (5.375 km). Mặc dù được sản xuất chủ yếu bằng kim loại và hợp kim kim loại, đây là chiếc máy bay thương mại đầu tiên có vật liệu composite.

Vật liệu composite, như tên cho thấy, là sự kết hợp độc đáo của hai hoặc nhiều vật liệu mà các đặc tính của chúng, khi được kết hợp, thể hiện các tính chất vật lý và hóa học phi thường. Các nhà sản xuất đã sử dụng vật liệu tổng hợp trong cả cấu trúc sơ cấp và thứ cấp để giảm trọng lượng và tăng hiệu quả vận hành. Bộ ổn định dọc của A300 có vật liệu tổng hợp chuyên dụng.

Những tiến bộ trong công nghệ gia công và độ chính xác đã cho phép các bề mặt cánh mịn hơn nhiều để tạo ra dòng chảy tầng. Dòng chảy tầng được duy trì trên các khu vực cánh lớn hơn (khôn ngoan) dẫn đến tổng lực cản của cánh được giảm thiểu. Sự kết hợp của các vật liệu (hợp kim kim loại và vật liệu tổng hợp carbon) ở mép trước của cánh cho thấy hiệu suất tối ưu ở các chế độ bay khác nhau.

Việc sử dụng vật liệu composite nhẹ trên các thành phần cấu trúc quan trọng đã làm cho máy bay gần đây cực kỳ tiết kiệm nhiên liệu. Boeing 787 Dreamliner và Airbus A350 XWB bao gồm hơn 50% cấu trúc của chúng là vật liệu tổng hợp nhẹ. Theo Boeing.

Chọn vật liệu tối ưu cho một ứng dụng cụ thể có nghĩa là phân tích mọi khu vực của khung máy bay để xác định vật liệu tốt nhất, dựa trên môi trường hoạt động và tải trọng mà một bộ phận trải qua trong suốt vòng đời của khung máy bay.

Độ bền của vật liệu tổng hợp carbon, chẳng hạn như nhựa gia cố bằng sợi carbon (CFRP), vượt qua nhiều kim loại thông thường, bao gồm cả nhôm và sắt. Hơn nữa, hỗn hợp CFRP nhẹ hơn nhiều so với Nhôm, với khả năng chống ăn mòn cao hơn nhiều. CFRP được sản xuất bằng cách thực hiện xử lý nhiệt có kiểm soát đối với sợi carbon thô. Các sợi riêng lẻ được nhóm lại với nhau để tạo thành một ma trận sợi, sau đó được làm cứng bằng nhựa. Vật liệu tổng hợp chất lượng cao với các tấm sợi có hình dạng chính xác được sử dụng để đạt được mức độ cứng cần thiết.

Việc sử dụng rộng rãi các vật liệu nhẹ góp phần đốt cháy nhiên liệu ròng của máy bay ngày nay. Cấu trúc nhẹ hơn mang trọng tải xa hơn so với cấu trúc nhôm thông thường. Vật liệu tổng hợp ma trận gốm (CMC) cũng được hình dung là vật liệu thay thế nhẹ cho hợp kim kim loại, cung cấp gần một phần ba mật độ vật liệu nhưng có các đặc tính vật lý và nhiệt vượt trội. Máy bay sử dụng CMC trong các ứng dụng nhiệt độ cao, bao gồm cả việc sử dụng chúng trong các bộ phận động cơ.

CMC bao gồm sự kết hợp của các sợi gốm được nhúng trong ma trận gốm. Từ cacbon-cacbon đến cacbua cacbon-silic và nhôm, CMC có nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng. Trong quá trình sản xuất CMC, các sợi được sắp xếp theo hình dạng hoặc hình dạng mong muốn trước khi được thấm vào vật liệu ma trận. Sau khi lắng đọng vật liệu ma trận, quá trình gia công cần thiết được thực hiện. Các phương pháp xử lý khác như sơn phủ hoặc ngâm tẩm có thể được thực hiện tùy thuộc vào yêu cầu vật liệu.

CMCs được sử dụng trong động cơ tuabin khí thường được làm bằng cacbua silic, sợi gốm và nhựa gốm. Chúng được sản xuất thông qua một quy trình thẩm thấu tinh vi và được tăng cường hơn nữa bằng các lớp phủ. Các CMC như vậy mang lại khả năng chống sốc nhiệt và độ bền va đập rất cao.

Khôi Nguyên