26 września 2021

 

f 35 kompozyty

Kompozyty polimerowe w technice lotniczej funkcjonują praktycznie od połowy XX w. Stopniowe wdrażanie rozpoczęło się od stosowania ich do drobnych napraw metalowych elementów o małym znaczeniu wytrzymałościowym. W technice lotniczej jako jeden z charakterystycznych punktów związanych z wdrożeniem kompozytów, uznaje się wojnę sześciodniową izraelsko-arabską w 1967 roku. Szybki przebieg działań wojennych związany z ogromnymi stratami w siłach powietrznych po obu stronach konfliktu spowodował konieczność przywracania w krótkim czasie statków powietrznych do gotowości operacyjnej. Izrael dysponując technologią kompozytową wykorzystał jej możliwości do napraw uszkodzeń bojowych. Technologia okazała się skuteczna. Dynamiczny rozwój technologii kompozytowych przypadał na okres zimnej wojny. Od konstrukcji statków powietrznych wymagano dużej sztywności, wytrzymałości oraz wysokiego poziomu integralności konstrukcji. Związek Radziecki dysponował wówczas nieograniczonymi zasobami tytanu, USA nie mając tak dużego dostępu do tego surowca, rozwijało technologie kompozytowe. Jak pokazuje dzisiejsza rzeczywistość była to trafna decyzja. Stopniowo technologie kompozytowe przenikały do lotnictwa cywilnego.

Michał Sałaciński, Piotr Synaszko

Obecnie w lotnictwie lekkim i szybownictwie stopień wykorzystania kompozytów niekiedy przekracza 90%. Duże statki powietrzne o skomplikowanej budowie, takie jak Airbus A350 czy Boeing 787 są konstrukcjami, w których ok. 50% elementów wykonanych jest z kompozytów polimerowych. W konstrukcjach samolotów i śmigłowców o przeznaczeniu wojskowym poziom ten przekracza 50%. Stopień wykorzystania kompozytów w konstrukcjach lotniczych stale rośnie. Powodem zastępowania elementów metalowych kompozytowymi są przede wszystkim korzystne właściwości wytrzymałościowe oraz cieplnofizyczne tej drugiej grupy materiałów. Początkowo badania wytrzymałościowe materiałów kompozytowych  przeprowadzano analogicznie do badań metali. Z uwagi na to, że kompozyty ulegają innym rodzajom uszkodzeń niż metale ta droga nie okazała się do końca właściwa. Obecnie funkcjonuje już dużo dokumentów normatywnych określających metody i techniki badań wytrzymałościowych kompozytów.

Propagacja uszkodzenia w kompozytach nie rozwija się tak jak w metalach, gdzie przyrasta ona w funkcji liczby cykli obciążeń. Rozwarstwienie wywołane uderzeniem tzw. BVID (ang. Barely Visible Impact Damage), niewidoczne gołym okiem, może wywołać nagłą destrukcję po bliżej nieokreślonej liczbie cykli. Dlatego istotne jest, aby uszkodzenia takie jak: rozwarstwienia od uderzenia,  rozwarstwienia zmęczeniowe, zawilgocenie, przegrzanie, były wykrywalne jak najszybciej. Wymaga to niestetybadań nieniszczących. Ze względu na losowy charakter tych uszkodzeń mogą one wystąpić w miejscach nieprzewidywalnych na etapie projektowania. Wymusza to, aby badania nieniszczące obejmowały cały element kompozytowy. Trudności w interpretacji sygnałów pomiarowych, wynikające z wysokiego poziomu komplikacji struktury (lokalne wzmocnienia, warstwy antystatyczne, rdzenie komórkowe) oraz stosunkowo duże powierzchnie powodują, że badanie manualne w oparciu o obserwację przebiegów sygnałów (zobrazowanie typu A) systemem niezautomatyzowanym jest praktycznie niemożliwe. Do niedawna istniała możliwość badań nieniszczących jedynie z wykorzystaniem urządzeń zautomatyzowanych o gabarytach wymagających dużych przestrzeni dostępowych. Stąd przez ostatnie dziesięciolecia kompozyty w konstrukcjach lotniczych na elementy wysokoodpowiedzialne stosowane były w miejscach dostępnych, pozwalających na przeprowadzenie badań nieniszczących.

kompozyty w lotnictwie 1 popr
Rys. 1  Badania nieniszczące kompozytowego statecznika pionowego metodą ultradźwiękową, z wykorzystaniem zautomatyzowanego systemu MAUS V: a) ramię pomiarowe, b) wyniki badań całego statecznika tryb C (widok od góry), c) wyniki badań tryb C miejsca z rozwarstwieniem zmęczeniowym, d) wyniki badań tryb B (przekrój poprzeczny przez uszkodzenie)

 

Cały artykuł dostępny jest w wydaniu 7/8 (166/167) Lipiec/Sierpień 2021