Typy kompozitvých konstrukcí
Kompozitové materiály, jsou materiály skládající se z pojiva – matrice a výztuže
s vysokým modulem pružnosti, tvořené uhlíkovými, aramidovými, skelnými a dalšími typy vláken.
Vývoj těchto materiálů prodělal v poslední době veliký rozmach.
Kompozitové materiály nahrazují klasické materiály pro své velmi příznivé mechanické vlastnosti a malou hustotu.
Díky závislosti mechanických vlastností na orientaci vláken je možné optimálně využít vlastností materiálu,
k tomu ale potřebujeme přesně znát rozložení napětí na konstrukci, což klade velké nároky na výpočty.
Dalším podstatným problémem je zavádění osamělých sil do konstrukce, což je bez lokálního
vyztužení a pevnostní anylýzy téměř nemožné.
Kompozitové konstrukce jsou na malých letounech sériově vyráběny od roku 1962, poté co roku 1958
firma Piper Aircraft zahájila vývoj primární konstrukce na cvičném letounu Papoose.
Od této doby se rozšířily do všech oblastí konstrukce moderních letounů, od těch největších dopravních až po letouny
poháněných lidskou silou.
Ještě v nedávné době byly celokompozitové konstrukce výhradou pouze výkonných větroňů,
ale v současnosti se stále více prosazují i při konstrukci ultralehkých letounů, na první celokompozitový dopravní
letoun si budeme muset ještě chvilku počkat... :-)
Konstrukce z kompozitových materiálů jsou v naprosté většině skořepinové nebo sendvičové.
Pouze vyjímečně se objevují konstrukce nosníkové, i když na experimentálních letounech mohou být použity.
Příkladem může být letoun Daedalus poháněný lidskou silou, který má vyroben pilotní prostor ze slepených
uhlíkových trubek a základem konstrukce křídla je uhlíková trubka, na kterou jsou navlečena žebra. Dalším
příkladem nosníkové konstrukce je hlavní nosník kýlu letounu Airbus A300.
Skořepinové a sendvičové konstrukce jsou používány jak na primárních, tak sekundárních konstrukcích
malých letounů. Ještě v nedávné době bylo 100 % využití kompozitových materiálů pouze u moderních větroňů.
V současné době jsou například i ultralehké letouny celokompozitové konstrukce.
1. Skořepinové konstrukce
Jsou složeny z několika vrstev vláken uložených v matrici. Z primárních konstrukcí jsou takto konstruovány
převážně trupy letounů, jako příklad bych uvedl Samba, Fascination, TL Star, MCR 01 UL, a všechny
celokompozitové moderní větroně …
Jako sekundární konstrukce jsou využívány v hojné míře také výrobci kovových letounů, například na konstrukce
motorových krytů, kapoty podvozkových kol, zakončení křídla (winglety) aj. Jako příklad lze uvést právě KP-2U Sova.
Výhodou je možnost orientace vláken ve směru převládajícího zatížení a tím snížení hmotnosti.
Nevýhodou tohoto typu konstrukce je obtížné zavádění osamělých sil, kdy je nutné konstrukci lokálně zesílit.
2. Sendvičové konstrukce
Jsou složeny z potahů a jádra. Potahy jsou z několika vrstev vláken uložených v matrici stejně jako skořepiny,
jsou od sebe odděleny jádrem z lehkého materiálu.
Materiálem jádra může být buď kovová voština, nebo pěnový materiál s buněčnou strukturou.
Jádra mají následující funkce:
- držet potahy ve správné vzdálenosti od sebe
- přenášet smykové zatížení působící po tloušťce
- zamezit smykovému pohybu potahů
- zabránit lokálnímu zborcení potahů při zatížení
Konstrukce tohoto typu bývají nejčastěji nosné plochy, tj. křídla a ocasní plochy kompozitových letounů.
Typickým příkladem jsou opět u nás vyráběné letouny: Samba, TL Star, Discus CS …
Na prvním obrázku je typický řez sendvičovým křídlem:
Na následujícím obrázku jsou typické řezy konstrukcí letounu Mosquito, na němž byly poprvé použity
sendvičové potahy. Jako jádro byla použita balza, potahy tvořila tenká překližka.
Na posledním obrázku je řez křídlem větroně ASW 22 s "komůrkovou" konstrukcí:
3. Konstrukce laminované na pozitivní jádro
V amatérské nebo prototypové výrobě jsou celkem běžně používané konstrukce laminované na pozitivní jádro....
Princip spočívá v kladení vrstev tkaniny na předem připravený model a následné sycení pryskyřicí.
Jádro je vyrobeno z dobře opracovatelného materiálu, např. polystyren. Jako výhodnější se však jeví použití styroporu
(obchodní název Roofmate aj.), který má lepší mechanické vlastnosti a jehož použitím dostaneme lepší kvalitu povrchu.
Jádro může být vyřezáno odporovým drátem podle pozitivních šablon nebo vybroušeno. Po řezání odporovým drátem je potřeba
jádro obrousit jemným brusným papírem, pro zbavení vláken vzniklých při řezání.
Obdobou této technologie je laminování na ztracené jádro. Technologický postup je v podstatě stejný, ale po vytvrzení pryskyřice
se jádro odleptá rozpouštědly (např. acetonem). Při použití této technologie doporučuji jádro potáhnout smršťovací folií,
popřípadě pouze lepící páskou, aby bylo zamezeno zbytečnému vsakování pryskyřice do jádra. Tím dostaneme také poměrně
dobrý a hladký vnitřní povrch výrobku.
Touto technologií jsou zhotovovány pouze malé, nepevnostní díly...
Příkladem použití této technologie je křídlo a ocasní plochy amerického letounu KR-2 kategorii experimental nebo také křídlo a
ocasní plochy letounu Europa kategorie VLA.
Na stavbě letounu KR-2 jsem se osobně podílel, takže bych si dovolil pár poznámek....
Křídlo letounu KR 2 má hlavní skříňový nosník a pomocný nosník dřevěné konstrukce, po polorozpětí jsou umístěna 4 žebra.
Na žebra je epoxidovou pryskyřicí nalepen Rohacell o tloušťce 15 mm který je potom vybroušen podle šablon do přesného profilu.
Na takto připravené jádro jsou laminovány tři vrstvy skelné tkaniny 280 g/m2 kladenými pod 45°, povrch je tmelen a broušen
do vysoké kvality a posléze lakován.
Ocasní plochy mají hlavní a pomocný nosník také dřevěné konstrukce, jádro je z Roofmatu vyřezáno odporovým drátem
podle pozitivních šablon. Celek je olaminovám dvěma vrstvama skelné tkaniny 110 g/m2, opět tmelen a broušen.
Výhody této technologie jsou nízká cena za přípravky a výroba laminátové konstrukce v amatérských podmínkách bez použití forem.
Nevýhodou je nutnost tmelení a lakování povrchu, což má za následek vyšší hmotnost výsledného výrobku,
Letoun KR-2
Konstrukce křídla KR-2
Použitá literatura:
GUEMES A.-FARLOW I.-KLEMENT J.-JURAČKA J.: Navrhování konstrukcí z kompozitových materiálů.
Vysoké Učení Technické v Brně, Letecký Ústav, 1995
MIDDLETON D. H.: Composite Materials in Aircraft Structure. Longman Scientific & Technical, J. Wiley & Sons, New York, 1990
STEENBUCK U.-BARON CH.: Modernen tragflächenbau. Verlag für technik und handwerk GmbH, Baden – Baden, 1987
BARON CH.: Modernen rumpfbau. Verlag für technik und handwerk GmbH, Baden – Baden, 1994
HOLLAND P.: Formenbau und glasfasertechnik. Verlag für technik und handwerk GmbH, Baden – Baden, 1997
ALEXANDER SCHLEICHER GmbH: Dokumentace větroně ASW 27
PALODA M.: Kompozity v konstrukci letadel. Letectví a kosmonautika, 1985
Efin©