Kompositblad
Den amerikanska militären är nu upptagen med att utrusta sin flotta av helikoptrar med kolfiberkompositblad (kol), eftersom dessa nya material har ökat hållbarheten, tål skador väl, inte har några korrosionsproblem och är mycket tillförlitliga.
Den senaste militärhelikoptern utrustad med kompositblad var Boeing AH-64D Apache Block III. I Fort Irvine, Kalifornien, genomgick Apache Block III inledande operativa tester och utvärderingar, vilket visade de nya teknologierna och deras kapacitet.
En av nyckelaspekterna med dessa möjligheter är att förbättra flygprestanda och tillförlitlighet hos huvudrotorn med kolfiberblad, men enligt Apache Block III-programchefen Överstelöjtnant Daniel Bailey är det osannolikt att användningen av sådana material bara kommer att sluta vid bladen. "Skniven är det första uppenbara steget", sa han till Defense Helicopter.
Strukturellt element
Medan blad som är lika viktiga som flygning kan verka som en konstig utgångspunkt för ny teknik, är det här den amerikanska militären har finslipat sina färdigheter inom kompositmaterial de senaste åren. Bailey påpekar att dessa material kommer att visas brett på amerikanska militära "morgondagens helikoptrar": "Nästa steg kommer att vara kompositer i flygkroppen, och vi är redan på den vägen."
Apaches kommer också att få en ny stjärtrotor någon gång nästa år. Oavsett Block III-processen, "pågår vårt komposit-svansrotorprogram. Det är ett parallellt Block III-program," förklarade Bailey. ett sådant system.
De nya stjärtbladen kommer också att monteras på de uppgraderade Block II-modellerna. Detta utbyte av traditionella huvud- och svansrotorblad beror på att vissa teknologier är föråldrade. Dessa blad, vars första användning går tillbaka till 1970-talet, var inte längre helt i metall. Helikoptrarna AH-64A och D Block I och II använder en komposit av metall och glasfiber för huvud- och svansrotorbladen.
Inom maskinteknik är det vanligt att överväga ett kompositmaterial eller en struktur som består av mer än ett element. Apache-blad är gjorda av exotiska legeringar i form av rostfritt stål AM 355. Boeings ingenjörer använde olika AM 355 multi-tubular konfigurationer laminerade och sammanfogade med glasfiberrör för att motstå sprickutbredning, vilket ger strukturen tillräckligt med styrka för att uppfylla arméns överlevnadskrav. Denna komplexa struktur är också dyr.
De nuvarande komposithuvud- och svansrotorbladen som presenteras i Block III och dess parallellprogram består av kolfiber i en polymermatris, vilket är vad man vanligtvis menar när man pratar om kompositer.
Förbättrad design
Kolfibrer visar förbättringar i hur de tillverkas och hur de fungerar. "Genom att ändra orienteringen av fibrerna och antalet lager och fyllmedel, kan du ta kompositblad till nivåer som var ouppnåeliga med metaller. I huvudsak kan du göra ett blad när det gäller dess vridning, dess bäryta eller dess kordafunktion, att optimera sin flygprestanda." , - förklarade John Schibler, chefsingenjör för Boeing Helikopter Program.
I CFRP-kompositmaterial är fiberskikt ofta anordnade växelvis i rät vinkel mot varandra. Genom att korrekt välja riktningen för fibrerna i dessa lager är det möjligt att uppnå de önskade egenskaperna i specifika riktningar och områden.
"Fördelarna ligger i materialets styrka och det faktum att med lika hållfasthet kan upp till 30% viktminskning uppnås (jämfört med metallkompositer). För samma vikt ger det mycket högre styvhet. Men oftast pratar vi om viktminskning", säger Daniele Cagnatel, Vice President för Advanced Composite Materials, GKN Aerospace North America. Företaget förser Sikorsky med toppmoderna kolfibrer för huvudrotorbladen på Black Hawk-helikoptern.
Förutom att förbättra styvheten och styrkan pekar Schibler på ekonomiska fördelar: "Vi producerar blad till en relativt låg inköpskostnad, samt låga driftskostnader och bättre underhållsbarhet."
Sikorsky tillverkar huvud- och svansrotorblad med hjälp av grafithartsbalkar flätade med glasfiber eller kolfiber. Alan Walling, General Manager för Sikorsky Composite Blades, sa: "Sikorsky kan producera helt sammansatta rotorblad på så lite som en tredjedel av tiden det tar att producera metallblad. Det finns betydligt mindre kemiskt avfall när man tillverkar kompositblad. Detta beror på att metallblad kräver betning i ett syrabad för att säkerställa de nödvändiga prestandaegenskaperna hos bladen under lång tid."
förbättrade blad
Enligt Kagnatel: "Valet av kolfiber för bladen är ett måste. Den befintliga bladstrukturen har visat sig i praktiken, där kolfiber har förbättrat prestanda jämfört med metall."
Valet av Apache Block III huvudrotorblad gjorda av kolfiber började med Affordable Apache Rotor Program (AARP). 2004 slutförde Boeing AARP-bladtestning, vilket bevisade att de nya bladen skulle vara billigare, starkare och, när det gäller utmattningslivslängd, kunde hålla dubbelt så länge som befintliga metallblad. Bailey förklarade att AARP-bladen 2006 förlängdes med 15 centimeter för att förbättra flygprestanda, och 2008 testades de på Apache, medan kvalificeringen av Block III-bladen slutfördes 2011. .
"Kompositrotorblad för Apache Block III-programmet är för närvarande i produktion. Vi tillverkar cirka 20 blad per månad och kommer att öka produktionen till 40 och 60 inom en snar framtid," sa Schibler.
Under 2013 kommer Block III att träda i tjänst med den amerikanska arméns 1st Strike and Reconnaissance Battalion (1-1 ARB), strid flyg brigad, 1:a infanteridivisionen vid Fort Riley, Kansas. I maj anlände fem Block III Apache-helikoptrar till 1st Strike Reconnaissance Bataljon för pilot- och underhållsutbildning, med ytterligare helikoptrar att anlända under de kommande månaderna.
Den brittiska armén flyger Block I Apache-helikoptrar, men dessa kan uppgraderas till Block III-nivåer. Ett beslut i frågan väntas i december. Om beslutet att uppgradera till Block III-nivå fattas, kan Apacherna i Storbritannien också ta emot rotorblad från British Experimental Rotor Program (British Experimental Rotor Program IV, BERPV IV). BERP IV-programmet avslutades 2007 och kompositblad flygs på RAF:s EH101 Merlin Mk 3.
Testad och verifierad
Detta är dock inte den första europeiska militärhelikoptern som använder kolblad. Eurocopters föregångare, Aérospatiale hävdar att denna ära har tillfallit SA 330 Puma-helikoptern som har flugit sedan 1970-talet. Sedan dess har typen använts av många militärer, inklusive den franska armén och den amerikanska flottan. Kompositsvansblad används också på AS532 Cougar, AS565 Panther, NH90 och Tiger helikoptrar.
Sikorsky UH-60M Black Hawk har använt rotorblad i kolkomposit sedan 2008. Av Sikorsky-helikoptrarna är det bara MH-60R och MH-60S Seahawk som har huvudrotorblad gjorda av en metall (titan) spar.
Överstelöjtnant Billy Jackson, chef för UH-60M Black Hawks moderniseringsprogram, sa: "Vi har levererat 384 UH-60M helikoptrar till trupperna, Sikorsky har levererat cirka 400 UH-60M helikoptrar, och de har varit i drift sedan dess. andra halvan av 2008. några av dem har redan återvänt från sin andra utplacering till Afghanistan."
Armén använder bredare kompositrotorblad, även kända som breda kordblad på grund av deras förbättrade viktegenskaper. Besparingen i vikt uppgick till 204 kilo. "Det var den främsta anledningen till att skapa kompositblad, inte bara för att de är komposit. Det viktigaste är deras flygprestanda," förklarade Jackson.
"De har kört Sikorsky S-92 i en något annorlunda konfiguration sedan en tid tillbaka, tack vare det hade vi redan en bra mängd data. Det fanns inte mycket risk i beslutet att gå över till helt sammansatta blad," han fortsatt. Sikorsky introducerade helt sammansatta klingor och rotorbladsskinn till sina S-92-helikoptrar i slutet av 1990-talet.
UH-60M-helikoptrarnas prestanda testades vid två utplaceringar i Afghanistan, och Jackson insisterar på att de presterade bra: "Vi håller för närvarande på att samla in data om bladens tillförlitlighet. När det gäller frågan om vi hittade sprickor i bladen eller oförutsedda fel på grund av nya kompositstrukturer, svaret är nej." Baserat på nuvarande framgång, kan fullkomposit allt-rörliga stabilisatorer vara nästa steg.
Planer för viktminskning
Förutom att förklara för Bailey att bladen var det första steget och att kompositkroppen var nästa, sa Jackson: "Vi undersöker andra applikationer för kompositmaterial. Vi utvecklar nu en helt sammansatt allt-rörlig stabilisator som kommer att ge betydande vikt besparingar."
Armén har påbörjat utvecklingen av en sammansatt stjärtbom för Black Hawk-helikoptern för att minska dess vikt, men det nuvarande fokuset ligger på en helt sammansatt allt-rörlig stabilisator som innehåller interna komponenter. "Vi har för avsikt att göra en helt sammansatt alltrörlig stabilisator för att avsevärt minska vikten i det område av helikoptern som har stor inverkan på helikopterns tyngdpunkt."
Jackson uppgav att, som redan noterats i Sikorsky-förslaget, var beslutet att skapa en helt sammansatt allt-rörlig stabilisator inte på grund av önskan att förbättra dess flygprestanda, utan bara satte målet att minska dess produktionskostnader.
"Vi måste fortfarande göra en del tester, ballistik och andra typer av flygtester för att säkerställa att den nya produkten blir lika bra eller till och med bättre än originalet, och sedan fatta ett ekonomiskt beslut om hur vi vill implementera den på den befintliga plattform, implementera den i perspektivproduktion eller lägga till den i listan över befintliga reservdelar".
Företaget som levererar den sammansatta stjärtbommen, men inte svansrotorbladen, är BLR Aerospace i delstaten Washington. Dave Marone, vice VD för försäljning och marknadsföring, bekräftade för Defense Helicopter att hans företag tillverkar en helt sammansatt tailboom för en militär kund, men avböjde att ge ytterligare detaljer.
Planer för framtiden
En annan helikopter som får vänta till 2016 för att få kolfiberkompositrotorblad är US Army CH-47 Chinook. "De nya kompositbladen kallas Advanced Chinook Rotor Blade (ACRB). Programmet slutförde framgångsrikt stadiet kritisk designgranskning (CDR) i januari 2012", säger US Army Överstelöjtnant Joe Hoecherl, chef för CH-47 Chinook moderniseringsprojekt. ). Flyg- och ballistiska tester slutfördes 2011.
ACRB-programmet kommer att ändra formen på bladen och deras prestanda utan att påverka deras montering. "Dessa blad kommer att vara utbytbara på alla Chinook-helikoptrar," sa Hotcherl. Omfattande vindtunneltester har slutförts, vilket visar att de nya bladen kan ge upp till 900 kg extra vertikal dragkraft, vilket gör att helikoptern kan sväva fullastad på 1200 35 meter i XNUMX°C lufttemperaturer.
ACRB-blad i en vindtunnel.
Förserieproduktion av bladen är planerad till april 2014, flygtester för tredje kvartalet 2015 och massproduktion för 2016. I februari i år tillkännagavs att Boeing utvecklade kompositblad som skulle hålla längre och kräva betydligt kortare tid för att korrigera och balansera rotorbladsfel. Dessa blad kan också installeras på CH-47D-modellhelikoptrarna, men dessa helikoptrar är planerade att tas ur bruk senast 2019.
Intelligenta kompositer
Det är troligt att kolfiberblad 2019 kommer att kräva ett mer sofistikerat tillvägagångssätt för att uppnå ytterligare prestandaförbättringar. Branschen är överens om att bladen inte helt kommer att vara gjorda av kolfiber. Kagnatel tror att de kommer att ha sensorer inbyggda i sig som kan övervaka bladens tillstånd och göra det möjligt för dem att mer exakt förutsäga sitt liv.
"Trender pekar allt mer på inbyggda system, värmeelement för bladens framkant och sensorer för bladspänning och töjning. I framtiden kommer sådana sensorer att vara en integrerad del av bladen, snarare än deras externa element," sade han.
Rörliga delar kan dock även monteras på bladen. Forskningschef och professor i teknik vid University of Bristol Paul Weaver arbetar med ett sådant projekt för den brittiska regeringen. Projektet heter Intelligent Responsive Composite Structures (IRCS). "National Innovation Agency finansierade ett projekt som avslutades för två år sedan med en omformad flik," sa han till DH.
National Innovation Agency ägs av den brittiska regeringen och finansierar forskning, utveckling och kommersialisering. Som en del av IRCS-programmet fann man att en sköldformad anordning på bladets bakkant kan användas för att förbättra prestandan under övergången från svävande till plan flygning.
Sikorsky-företaget är också engagerat i forskning inom detta område. Det utvecklar aktiv rotorbladsteknologi tillsammans med det amerikanska försvarsdepartementet. Hittills finns det inga planer på att installera dessa enheter på befintliga blad.
Den amerikanska militären är ingen pionjär när det gäller utplaceringen av kolfiberblad, men det faktum att de aktivt utrustar sin helikopterflotta med nya blad bekräftar att nya kompositer aktivt introduceras i livet. För Bailey är betydelsen av kolfiber tydlig: "Dessa teknologier kommer att driva utvecklingen av framtida militärhelikoptrar, vare sig det är den nya Apache, Black Hawk eller Chinook."
informationen