Yhdysvaltain armeija on nyt kiireinen varustamalla helikopterikantansa hiilikuitukomposiitti (hiili) siipillä, koska nämä uudet materiaalit ovat lisänneet kestävyyttä, sietävät hyvin vaurioita, niissä ei ole korroosio-ongelmia ja ne ovat erittäin luotettavia.
Uusin komposiittisiipillä varustettu sotilashelikopteri oli Boeing AH-64D Apache Block III. Fort Irvinessä, Kaliforniassa, Apache Block III:lle tehtiin ensimmäinen toimintatestaus ja -arviointi, jossa esiteltiin uusia tekniikoita ja niiden ominaisuuksia.
Yksi näiden ominaisuuksien avaintekijöistä on hiilikuituisten siipien avulla toimivan pääroottorin lentosuorituskyvyn ja luotettavuuden parantaminen, mutta Apache Block III -ohjelman johtajan everstiluutnantti Daniel Baileyn mukaan tällaisten materiaalien käyttö tuskin loppuu vain. terien kohdalla. "Terät ovat ensimmäinen ilmeinen askel", hän kertoi Defense Helicopterille.
Rakenteellinen elementti
Vaikka terät niinkin tärkeät kuin lento saattavat tuntua oudolta lähtökohtana uusille teknologioille, Yhdysvaltain armeija on hionut taitojaan komposiittimateriaalien alalla viime vuosina. Bailey huomauttaa, että nämä materiaalit tulevat olemaan laajalti esillä Yhdysvaltain armeijan "huomisen helikoptereissa": "Seuraava askel on komposiitit rungossa, ja olemme jo sillä tiellä."
Apaches saa myös uuden pyrstön roottorin joskus ensi vuonna. Huolimatta Block III -prosessista, "komposiittipyrstöroottoriohjelmamme on käynnissä. Se on rinnakkainen Block III -ohjelma", Bailey selitti. sellainen järjestelmä.
Uudet hännänterät asennetaan myös päivitettyihin Block II -malleihin. Tämä perinteisten pää- ja takaroottorin siipien vaihtaminen johtuu joidenkin tekniikoiden vanhentumisesta. Nämä terät, joiden ensimmäinen käyttö on peräisin 1970-luvulta, eivät enää olleet kokonaan metallia. AH-64A- ja D Block I- ja II -helikopterit käyttävät metalli- ja lasikuitukomposiittia pää- ja peräroottorin siivet.
Konetekniikassa on tapana ajatella komposiittimateriaalia tai -rakennetta, joka koostuu useammasta kuin yhdestä elementistä. Apache-terät on valmistettu eksoottisista seoksista ruostumattoman AM 355 -teräksen muodossa. Boeingin insinöörit käyttivät erilaisia AM 355 -moniputkirakenteita, jotka oli laminoitu ja liimattu yhteen lasikuituputkella estääkseen halkeamien leviämisen, mikä antoi rakenteelle riittävän lujuuden täyttämään armeijan kestävyysvaatimukset. Tämä monimutkainen rakenne on myös kallis.
Block III:n ja sen rinnakkaisohjelman nykyiset komposiittipää- ja takaroottorin lavat koostuvat hiilikuidusta polymeerimatriisissa, mitä yleensä tarkoitetaan, kun puhutaan komposiiteista.
Parannettu muotoilu
Hiilikuidut osoittavat parannuksia niiden valmistamisessa ja toiminnassa. "Muuttamalla kuitujen suuntausta sekä kerrosten ja täyteaineiden määrää, voit nostaa komposiittiterät tasoille, joita metallien kanssa ei voida saavuttaa. Pohjimmiltaan voit tehdä terän kierteensä, kantosiipinsä tai jännefunktionsa suhteen, optimoimalla sen lentosuorituskykyä." - selitti John Schibler, Boeing Helicopter Programsin pääinsinööri.
CFRP-komposiittimateriaaleissa kuitukerrokset järjestetään usein vuorotellen suorassa kulmassa toisiinsa nähden. Valitsemalla oikein kuitujen suunta näissä kerroksissa on mahdollista saavuttaa halutut ominaisuudet tietyissä suunnissa ja alueilla.
"Edut ovat materiaalin lujuudessa ja siinä, että samalla lujuudella voidaan saavuttaa jopa 30 %:n painonpudotus (verrattuna metallikomposiitteihin). Samalla painolla se antaa paljon suuremman jäykkyyden. Mutta yleensä puhumme painonpudotuksesta", sanoi Daniele Cagnatel, Advanced Composite Materials -yksikön johtaja, GKN Aerospace North America. Yritys toimittaa Sikorskylle huippuluokan hiilikuituja Black Hawk -helikopterin pääroottorin lapoihin.
Jäykkyyden ja lujuuden parantamisen lisäksi Schibler viittaa taloudellisiin hyötyihin: "Tuotamme teriä suhteellisen alhaisilla hankintakustannuksilla, alhaisilla käyttökustannuksilla ja paremmalla huollettavuudella."
Sikorsky valmistaa pää- ja takaroottorin siivet käyttäen grafiittihartsisäleitä, jotka on punottu lasikuidusta tai hiilikuidusta. Sikorsky Composite Bladesin pääjohtaja Alan Walling sanoi: "Sikorsky pystyy valmistamaan täysin komposiittiset roottorin siivet vain kolmanneksessa metalliterien valmistukseen kuluvasta ajasta. Komposiittiterien valmistuksessa syntyy huomattavasti vähemmän kemiallista jätettä. Tämä johtuu siitä, että metalliterät vaativat peittauksen happokylvyssä varmistaakseen terien tarvittavat suorituskykyominaisuudet pitkäksi aikaa."
parannetut terät
Kagnatelin mukaan: "Hiilikuitujen valinta teriin on pakollinen. Nykyinen terärakenne on osoittautunut käytännössä hyväksi, jossa hiilikuidun suorituskyky on parantunut metalliin verrattuna."
Hiilikuidusta valmistettujen Apache Block III -pääroottorin siipien valinta alkoi Affordable Apache Rotor Program (AARP) -ohjelmasta. Vuonna 2004 Boeing sai päätökseen AARP-terätestauksen, joka osoitti, että uudet terät olisivat halvempia, vahvempia ja kestäisivät väsymisiän suhteen kaksi kertaa niin kauan kuin nykyiset metalliterät. Bailey selitti, että vuonna 2006 AARP-teriä pidennettiin 15 senttimetriä lentosuorituskyvyn parantamiseksi, ja vuonna 2008 niitä testattiin Apachella, kun taas Block III -terien pätevyys valmistui vuonna 2011. .
"Apache Block III -ohjelman komposiittiroottorin siivet ovat tällä hetkellä tuotannossa. Valmistamme noin 20 siipeä kuukaudessa ja lisäämme tuotantoa 40:een ja 60:een lähitulevaisuudessa", Schibler sanoi.
Vuonna 2013 Block III tulee palvelukseen Yhdysvaltain armeijan 1. Isku- ja tiedustelupataljoonan (1-1 ARB) kanssa. ilmailu prikaati, 1. jalkaväedivisioona Fort Rileyssä, Kansasissa. Toukokuussa viisi Block III Apache -helikopteria saapui 1. Strike Reconnaissance -pataljoonaan lentäjä- ja huoltokoulutukseen, ja lisää helikoptereita saapuu lähikuukausina.
Britannian armeija lentää Block I Apache -helikoptereita, mutta ne voidaan päivittää Block III -tasoille. Päätöstä asiassa odotetaan joulukuussa. Jos päätetään päivittää Block III -tasolle, Ison-Britannian apaches voivat saada roottorin siivet myös British Experimental Rotor Program -ohjelmasta (British Experimental Rotor Program IV, BERPV IV). BERP IV -ohjelma valmistui vuonna 2007, ja komposiittiteriä lennätetään RAF:n EH101 Merlin Mk 3:lla.
Testattu ja varmennettu
Tämä ei kuitenkaan ole ensimmäinen eurooppalainen sotilashelikopteri, joka käyttää hiiliteriä. Eurocopterin edeltäjä Aérospatiale väittää, että tämä kunnia on langennut SA 330 Puma -helikopterille, joka on lentänyt 1970-luvulta lähtien. Siitä lähtien tyyppiä ovat käyttäneet monet armeijat, mukaan lukien Ranskan armeija ja Yhdysvaltain laivasto. Komposiittipyrstölappuja käytetään myös AS532 Cougar-, AS565 Panther-, NH90- ja Tiger-helikoptereissa.
Sikorsky UH-60M Black Hawk on käyttänyt hiilikomposiittiroottorin siipiä vuodesta 2008 lähtien. Sikorsky-helikoptereista vain MH-60R ja MH-60S Seahawk on pääroottorin lavat, jotka on valmistettu metallista (titaanista).
UH-60M Black Hawk -modernisointiohjelman päällikkö everstiluutnantti Billy Jackson sanoi: "Olemme toimittaneet joukoille 384 UH-60M-helikopteria, Sikorsky on toimittanut noin 400 UH-60M-helikopteria, ja ne ovat olleet toiminnassa osa heistä on jo palannut toisesta lähetystyöstään Afganistaniin."
Armeija käyttää leveämpiä komposiittiroottorin siipiä, jotka tunnetaan myös leveinä jänteinä niiden parantuneiden paino-ominaisuuksien vuoksi. Painon säästö oli 204 kiloa. "Se oli tärkein syy komposiittiterien luomiseen, ei vain siksi, että ne ovat komposiittia. Pääasia on niiden lentosuorituskyky", Jackson selitti.
"He ovat käyttäneet Sikorsky S-92:ta hieman eri kokoonpanossa jo jonkin aikaa, minkä ansiosta meillä oli jo hyvä määrä dataa. Päätöksessä siirtyä täysin komposiittiteriin ei ollut suurta riskiä", hän jatkui. Sikorsky esitteli 92-luvun lopulla S-1990-helikoptereihinsa täyskomposiiteista valmistetut varret ja roottorin siipien pinnat.
UH-60M-helikopterien suorituskykyä testattiin kahdella siirrolla Afganistanissa, ja Jackson väittää, että ne suoriutuivat hyvin: "Olemme parhaillaan keräämässä tietoja siipien luotettavuudesta. Mitä tulee kysymykseen siitä, löysimmekö halkeamia terien tai uusien komposiittirakenteiden aiheuttamien odottamattomien vikojen vuoksi vastaus on ei." Nykyisen menestyksen perusteella täyskomposiittiset, liikkuvat stabilisaattorit voisivat olla seuraava askel.
Painonpudotussuunnitelmat
Sen lisäksi, että Jackson selitti Baileylle, että terät olivat ensimmäinen askel ja komposiittirunko oli seuraava, Jackson sanoi: "Tutkimme muita sovelluksia komposiittimateriaaleille. Kehitämme nyt täysin komposiittista, täysin liikkuvaa stabilointiainetta, joka antaa huomattavan painon. säästöjä."
Armeija on aloittanut komposiittiperäisen takapuomin kehittämisen Black Hawk -helikopteriin vähentääkseen sen painoa, mutta tällä hetkellä painopiste on täysin komposiittisessa, liikkuvassa stabilisaattorissa, joka sisältää sisäiset komponentit. "Aiomme tehdä täysin komposiittisen koko liikkuvan stabilisaattorin vähentääksemme painoa merkittävästi helikopterin alueella, jolla on suuri vaikutus helikopterin painopisteeseen."
Jackson totesi, että kuten Sikorskyn ehdotuksessa jo todettiin, päätös luoda täyskomposiitista kaikki liikkuva stabilointi ei johtunut halusta parantaa sen lentosuorituskykyä, vaan se asetti tavoitteeksi vain sen tuotantokustannusten alentamisen.
"Meidän on vielä tehtävä testejä, ballistisia ja muita lentokokeita varmistaaksemme, että uusi tuote on yhtä hyvä tai jopa parempi kuin alkuperäinen, ja sitten tehtävä taloudellinen päätös, kuinka haluamme toteuttaa sen olemassa olevaan versioon. alusta, toteuttaa se perspektiivituotantoon tai lisätä olemassa olevien varaosien luetteloon".
Yritys, joka toimittaa komposiittipyrstöpuomin, mutta ei pyrstön roottorin siipiä, on Washington Staten BLR Aerospace. Myynti- ja markkinointijohtaja Dave Marone vahvisti Defence Helicopterille, että hänen yrityksensä valmistaa täysin komposiittia tailboom sotilasasiakkaalle, mutta kieltäytyi antamasta lisätietoja.
Tulevaisuuden suunnitelmatToinen helikopteri, joka joutuu odottamaan vuoteen 2016 asti saadakseen hiilikuitukomposiittiroottorin siivet, on Yhdysvaltain armeijan CH-47 Chinook. "Uusien komposiittiterien nimi on Advanced Chinook Rotor Blade (ACRB). Ohjelma sai onnistuneesti päätökseen kriittisen suunnittelun (CDR) vaiheen tammikuussa 2012", sanoi Yhdysvaltain armeijan everstiluutnantti Joe Hoecherl, CH-47 Chinookin johtaja. modernisointiprojekti. ). Lento- ja ballistiset testit valmistuivat vuonna 2011.
ACRB-ohjelma tuo muutoksia terien muotoon ja suorituskykyyn vaikuttamatta niiden kiinnityksiin. "Nämä terät ovat vaihdettavissa kaikissa Chinook-helikoptereissa", Hotcherl sanoi. Laaja tuulitunnelitestaus on saatu päätökseen, ja se on osoittanut, että uudet siivet voivat tarjota jopa 900 kg lisävoimaa pystysuoraan, jolloin helikopteri voi leijua täyteen lastattuna 1200 35 metrin korkeudessa XNUMX °C:n ilman lämpötilassa.
ACRB-siivet tuulitunnelissa.
Terien esisarjatuotanto on suunniteltu huhtikuulle 2014, lentokokeet vuoden 2015 kolmannelle neljännekselle ja massatuotanto vuodelle 2016. Tämän vuoden helmikuussa ilmoitettiin, että Boeing kehittää komposiittilappuja, jotka kestäisivät pidempään ja vaativat huomattavasti vähemmän aikaa roottorin siipien virheiden korjaamiseen ja tasapainottamiseen. Nämä terät voidaan asentaa myös CH-47D-mallin helikoptereihin, mutta nämä helikopterit on tarkoitus poistaa käytöstä vuoteen 2019 mennessä.
Älykkäät komposiitit
On todennäköistä, että vuoteen 2019 mennessä hiilikuituterät vaativat kehittyneempää lähestymistapaa suorituskyvyn parantamiseksi. Teollisuus on samaa mieltä siitä, että teriä ei tehdä kokonaan hiilikuidusta. Kagnatel uskoo, että heihin on sisäänrakennettu antureita, jotka voivat seurata terien kuntoa ja antaa niille mahdollisuuden ennustaa tarkemmin niiden käyttöikää.
"Trendit viittaavat yhä enemmän sulautettuihin järjestelmiin, terien etureunan lämmityselementteihin ja terien jännitys- ja venymäantureihin. Tulevaisuudessa tällaiset anturit ovat olennainen osa teriä sen ulkoisten elementtien sijaan", hän sanoi.
Teriin voidaan kuitenkin asentaa myös liikkuvia osia. Bristolin yliopiston tutkimusjohtaja ja tekniikan professori Paul Weaver työskentelee tällaisen hankkeen parissa Ison-Britannian hallitukselle. Projekti on nimeltään Intelligent Responsive Composite Structures (IRCS). "Kansallinen innovaatiokeskus rahoitti hanketta, joka päättyi kaksi vuotta sitten uudelleen muotoillulla läpällä", hän kertoi DH:lle.
National Innovation Agency on Britannian hallituksen omistama ja rahoittaa tutkimusta, kehitystä ja kaupallistamista. Osana IRCS-ohjelmaa havaittiin, että terän takareunassa olevalla kilpimäisellä laitteella voidaan parantaa suorituskykyä siirtyessä leijumisesta vaakasuoraan.
Sikorsky-yritys harjoittaa myös tämän alan tutkimusta. Se kehittää aktiivisen roottorin siiven tekniikkaa Yhdysvaltain puolustusministeriön kanssa. Toistaiseksi ei ole suunnitelmia asentaa näitä laitteita olemassa oleviin teriin.
Yhdysvaltain armeija ei ole edelläkävijä hiilikuituterien käyttöönotossa, mutta se, että he varustavat aktiivisesti helikopterilaivastoaan uusilla teriillä, vahvistaa, että uusia komposiitteja tuodaan aktiivisesti elämään. Baileylle hiilikuidun merkitys on selvä: "Nämä teknologiat ohjaavat tulevaisuuden sotilashelikopterien kehitystä, olipa kyseessä sitten uusi Apache, Black Hawk tai Chinook."