Умная интеллектуальная конструкция самолета

Термин «умные конструкции» обычно используется для структур, которые способны адаптироваться к условиям окружающей среды в соответствии с требованиями проектирования. Как правило, корректировки проектируются и выполняются с целью повышения эффективности или безопасности конструкции. Сочетая «умные структуры» с «сложностью», достигнутой в материаловедении , информационных технологиях , науке об измерениях, датчиках , приводах , обработке сигналов , нанотехнологиях , кибернетике , искусственном интеллекте и биомиметике , ^{[ 1 ]} можно говорить об умных интеллектуальных структурах. Другими словами, структуры, которые способны чувствовать окружающую среду, самостоятельно диагностировать свое состояние и адаптироваться таким образом, чтобы сделать проект более полезным и эффективным.

Концепция интеллектуальных интеллектуальных авиационных конструкций предлагает значительные улучшения в общем весе самолета, производственных затратах и, прежде всего, эксплуатационных затратах за счет интеграции системных задач в несущую конструкцию. ^{[ 2 ]} Это также помогает улучшить жизненный цикл самолета и сократить его техническое обслуживание. ^{[ 3 ]} Отдельные концепции морфинга также позволяют снизить шум, создаваемый планером, и, следовательно, уменьшить влияние шума воздушного движения вблизи аэропортов. Кроме того, снижение крейсерского сопротивления положительно влияет на расход топлива и требуемый взлетный запас топлива.

Морфинговые структуры

с фиксированной геометрией Крылья оптимизированы для одной расчетной точки, определяемой по высоте , числу Маха , весу и т. д. Их разработка всегда представляет собой компромисс между расчетными и нерасчетными точками, относящимися к типичной миссии. Это особенно актуально для гражданских самолетов, профили полета которых практически стандартны. Тем не менее, может возникнуть необходимость полета на больших скоростях и малой высоте с легким весом на короткое расстояние или полета на низкой скорости и большой высоте с максимальной нагрузкой на большее расстояние. Тогда коэффициент подъемной силы будет находиться в диапазоне от 0,08 до 0,4. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} при этом вес самолета снижается до 30% по мере расхода топлива. ^{[ 6 ]} Эти изменения можно компенсировать изменениями развала крыла , чтобы обеспечить оптимальную геометрию для любых условий полета, тем самым улучшая аэродинамические и структурные характеристики.

Существующие самолеты не могут менять форму без аэродинамических зазоров, и эту проблему можно решить с помощью интеллектуальных интеллектуальных структур. Обеспечивая детальный учет структурных потребностей на протяжении всего срока службы самолета и фокусируясь на структурной интеграции необходимых прошлых возможностей, интеллектуальные интеллектуальные авиационные конструкции позволят авиаконструкторам серьезно рассмотреть технологии конформного морфинга. Снижение лобового сопротивления во время взлета, крейсерского полета и посадки для будущих и экологически улучшенных крыльев гражданских самолетов может быть достигнуто за счет естественной технологии ламинарного крыла за счет использования бесзазорного и деформируемого устройства передней кромки с возможностью обеспечения подъемной силы. Такая морфирующаяся структура обычно состоит из гибкой внешней оболочки и внутреннего приводного механизма (рис. 1). В современных конструкциях самолетов уже используются законцовки крыла, направленные на повышение эффективности крейсерского полета за счет уменьшения индуцированного сопротивления. Интеллектуальные интеллектуальные структуры предлагают современную технологию, которая включает в себя законцовки крыла активная задняя кромка , которая может быть средством снижения нагрузки на крылышко и крыло в ключевых условиях полета.

Структурный мониторинг здоровья

Еще одним компонентом «интеллектуальной» конструкции самолета является способность обнаруживать и диагностировать потенциальные угрозы его структурной целостности. Он отличается от обычного неразрушающего контроля (NDT) тем, что мониторинг состояния конструкций (SHM) ^{[ 7 ]} использует датчики, которые постоянно прикреплены или встроены в конструкцию. Композитные материалы , которые очень подвержены скрытым внутренним дефектам, которые могут возникнуть во время производства и обработки материала или в то время, когда конструкция подвергается эксплуатационным нагрузкам, требуют значительного объема проверок и мониторинга дефектов через регулярные промежутки времени. Таким образом, растущее использование композиционных материалов для компонентов первичной конструкции самолета существенно увеличивает стоимость их жизненного цикла . По некоторым оценкам, более 25% стоимости жизненного цикла самолета или аэрокосмической конструкции, которая включает в себя предпроизводственные, производственные и постпроизводственные затраты, может быть отнесено на эксплуатацию и поддержку, включая проверку и техническое обслуживание. Благодаря снижению стоимости, размера и веса сенсорной технологии, а также постоянному увеличению мощности обработки сигналов датчиков, были разработаны различные подходы, позволяющие интегрировать такие варианты датчиков в структурные компоненты или в них .

Хотя в принципе они доступны, ни одна из этих технологий SHM в настоящее время не достигла достаточного уровня зрелости, чтобы можно было надежно применять SHM к реальным инженерным конструкциям. Реального снижения затрат в течение жизненного цикла, связанных с техническим обслуживанием и проверками, можно достичь только с помощью систем SHM, спроектированных как « отказоустойчивые » компоненты и включенных в сценарий оценки устойчивости к повреждениям , способных сократить время проверок (или их интервалы) за счет исследования быстро и надежно смонтировать конструкцию, избегая трудоемкой разборки частей конструкции. ^{[ 8 ]}

Многофункциональные материалы

Преимущества армированных углеродным волокном полимеров (углепластиков) перед металлическими материалами с точки зрения удельной жесткости и прочности хорошо известны. В последние несколько лет резко возрос спрос на композиционные материалы с интегрированными многофункциональными возможностями для использования в авиационных конструкциях.

Однако основным недостатком углепластиков для первичного конструкционного применения является их низкая вязкость и устойчивость к повреждениям. Эпоксидные смолы хрупкие, имеют низкую ударную вязкость и устойчивость к распространению трещин , что приводит к неудовлетворительному уровню прочности и надежности. Это приводит к созданию конструкций с большим запасом прочности и сложным операциям контроля. Кроме того, из-за увеличения относительной доли композитных компонентов в новых самолетах проблемы, связанные с электропроводностью, возникли от удара молнии такие как защита , статический разряд , электрическое соединение и заземление , экранирование от помех и возврат тока через конструкцию. Эти недостатки можно решить за счет использования новых технологий, таких как нанокомпозиты , которые сочетают в себе механические, электрические и термические свойства. ^{[ 9 ]}

Было обнаружено, что смолы, армированные наночастицами, обладают двумя явными преимуществами по сравнению с существующими системами смол. ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}^{[ 14 ]} Прежде всего, они способны обеспечить увеличение вязкости разрушения до 50% для старых смол для жидкой инфузии (LRI) и до 30% для более совершенных систем. Во-вторых, перколированные наночастицы резко улучшают проводимость смолы, превращая ее из идеального изолятора в полупроводник . Хотя улучшенные свойства устойчивости к повреждениям могут напрямую привести к снижению веса конструкции, использование электрических свойств также может позволить создать более простую и, следовательно, более дешевую электрическую структурную сеть (ESN).

Проведение научно-исследовательской деятельности по внедрению вышеперечисленных технологий на летательные аппараты.

По разработке этих технологий для будущих самолетов в настоящее время (2011–2015 гг.) реализуется проект, частично финансируемый Европейской комиссией , под названием «SARISTU» (Умные интеллектуальные авиационные конструкции) с общим бюджетом 51 000 000 евро. Эта инициатива координируется Airbus и объединяет 64 партнера из 16 европейских стран. ^{[ 15 ]}^{[ 16 ]} SARISTU фокусируется на снижении затрат на авиаперевозки за счет различных индивидуальных приложений, а также их комбинации. В частности, интеграция различных концепций конформного морфинга в ламинарное крыло призвана улучшить летно-технические характеристики самолета за счет снижения лобового сопротивления на 6%, что положительно скажется на расходе топлива и требуемом взлетном запасе топлива. Побочным эффектом будет снижение до 6 дБ(А) шума, создаваемого планером, что позволит снизить воздействие шума воздушного движения в окрестностях аэропортов. Недавние расчеты и анализ вычислительной гидродинамики показывают, что целевой показатель, скорее всего, будет превышен, но его все равно необходимо будет компенсировать возможным штрафом за вес.

Еще одним ожидаемым результатом является ограничение стоимости интеграции систем мониторинга состояния конструкций (SHM) за счет продвижения системной интеграции как можно дальше в производственной цепочке. Таким образом, интеграция SHM становится осуществимой концепцией, позволяющей сократить расходы на инспекцию в процессе эксплуатации до 1%. Испытания, связанные с мониторингом структурного состояния, показывают, что конкретные проверки самолетов могут принести больше пользы, чем первоначально предполагалось.

Наконец, ожидается, что включение углеродных нанотрубок в авиационные смолы позволит снизить вес до 3% по сравнению с немодифицированной системой обшивка/стрингер/рама, а сочетание технологий, как ожидается, снизит затраты на установку сети электрической структуры почти на 3%. 15%.

Ссылки

^ Вадхаван, В.К. (2005) Умные конструкции и материалы. Резонанс [онлайн]. Доступно по адресу: http://www.ias.ac.in/resonance/Nov2005/pdf/Nov2005p27-41.pdf [Проверено 30 июля 2012 г.].
^ Спекманн, Х., Рознер, Х. (2006). Мониторинг состояния конструкций: вклад в интеллектуальную конструкцию самолета, [онлайн] ECNDT 2006 – Вт. 1.1.1, Airbus, Бремен, Германия. Доступно по адресу: http://www.ndt.net/article/ecndt2006/doc/Tu.1.1.1.pdf [Проверено 30 июля 2012 г.].
^ Дюфо, К.Ф. и Ахрас, Г. (2008). Применение смарт-структур в самолетах. Журнал Canadian Air Force Journal, [онлайн], стр. 31-39. Доступно: «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 22 мая 2013 г. Проверено 11 октября 2012 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в названии ( ссылка ) [По состоянию на 30 июля 2012 г.].
^ HP Моннер, Д. Сачау, Э. Брайтбах, «Аспекты проектирования упругой задней кромки адаптивного крыла», Совещание специалистов RTO AVT по «Структурным аспектам гибкого управления самолетом», Оттава (Канада), 18–20 октября 1999 г., опубликовано в РТО МП 36.
^ Дж. Дж. Спиллман, «Использование переменного развала для снижения лобового сопротивления, веса и стоимости транспортных самолетов», Aeronautical Journal, Vol. 96, № 951, стр. 1-9, 1992 г.
^ Х. Аренд, Д. Хейланд, В. Мартин, «Руководящая концепция« Адаптивный флюгель »(ADIF) Ежегодная конференция DGLR, DGLR-JT97-147, Мюнхен, 1997 г.
^ Гузман Э. (2014) «Новый метод мониторинга состояния конструкций для полномасштабных конструкций из углепластика». Кандидатская диссертация EPFL doi : 10.5075/epfl-thesis-6422
^ Гузман Э., Куньони Дж. и Гмюр Т. (2015) «Мониторинг композитных структур с использованием сети интегрированных преобразователей пленки ПВДФ» Smart Materials and Structures vol. 24, номер. 5, с. 055017 дои : 10.1088/0964-1726/24/5/055017 .
^ Гибсон, РФ, «Обзор последних исследований по механике многофункциональных композитных материалов и конструкций», Composite Structures 92 (2010) 2793»
^ Гойни Ф. Х., Вихманн МХГ, Фидлер Б., Баухофер В., Шульте К., «Влияние наномодификации на механические и электрические свойства обычных армированных волокном композитов», Композиты, часть A: Прикладная наука и производство, 36 (2005) 1525-1535
^ З. Спитальски, Д. Тасис, К. Папагенлис, К. Галиотис, «Композиты углеродные трубки и полимер: химия, обработка, механические и электрические свойства», Progress in Polymer Science 35 (2010) 357-401
^ Г. Ромхани, Г. Себени, «Межламинарное распространение трещин в гибридных композитах МУНТ/волокно», eXPRESS Polymer Letters Vol. 3, № 3 (2009) 145-151
^ В. Костопулос, А. Балтопулос, П. Карапапас, А. Ваволулиотис, А. Пайпетис, «Ударные и послеударные свойства композитов, армированных углеродным волокном, усиленных многостенными углеродными нанотрубками», Composites Science and Technology 70 (2010) 553-563
^ Л. Горбатих, Ю. Динг, Н. Де Греф, Д. Иванов, М. Карахан, А. Годара, Л. Меццо, С. Ломов, И. Верпоест, «Влияние углеродных нанотрубок на развитие повреждений в волокне». армированные композиты», 14-я Европейская конференция по композитным материалам, 7–10 июня 2010 г., Будапешт, Венгрия.
^ ПРОЕКТ САРИСТА www.saristu.eu
^ СЕРДЦЕ «КОРДИС | Европейская Комиссия» . Архивировано из оригинала 23 декабря 2015 г. Проверено 11 октября 2012 г.

Внешние ссылки

[1] Вадхаван, В.К. (2005) Умные конструкции и материалы. Резонанс [онлайн]. Доступно по адресу: http://www.ias.ac.in/resonance/Nov2005/pdf/Nov2005p27-41.pdf [Проверено 30 июля 2012 г.].

[2] Спекманн, Х., Рознер, Х. (2006). Мониторинг состояния конструкций: вклад в интеллектуальную конструкцию самолета, [онлайн] ECNDT 2006 – Вт. 1.1.1, Airbus, Бремен, Германия. Доступно по адресу: http://www.ndt.net/article/ecndt2006/doc/Tu.1.1.1.pdf [Проверено 30 июля 2012 г.].

[3] Дюфо, К.Ф. и Ахрас, Г. (2008). Применение смарт-структур в самолетах. Журнал Canadian Air Force Journal, [онлайн], стр. 31-39. Доступно: «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 22 мая 2013 г. Проверено 11 октября 2012 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в названии ( ссылка ) [По состоянию на 30 июля 2012 г.].

[4] HP Моннер, Д. Сачау, Э. Брайтбах, «Аспекты проектирования упругой задней кромки адаптивного крыла», Совещание специалистов RTO AVT по «Структурным аспектам гибкого управления самолетом», Оттава (Канада), 18–20 октября 1999 г., опубликовано в РТО МП 36.

[5] Дж. Дж. Спиллман, «Использование переменного развала для снижения лобового сопротивления, веса и стоимости транспортных самолетов», Aeronautical Journal, Vol. 96, № 951, стр. 1-9, 1992 г.

[6] Х. Аренд, Д. Хейланд, В. Мартин, «Руководящая концепция« Адаптивный флюгель »(ADIF) Ежегодная конференция DGLR, DGLR-JT97-147, Мюнхен, 1997 г.

[7] Гузман Э. (2014) «Новый метод мониторинга состояния конструкций для полномасштабных конструкций из углепластика». Кандидатская диссертация EPFL doi : 10.5075/epfl-thesis-6422

[8] Гузман Э., Куньони Дж. и Гмюр Т. (2015) «Мониторинг композитных структур с использованием сети интегрированных преобразователей пленки ПВДФ» Smart Materials and Structures vol. 24, номер. 5, с. 055017 дои : 10.1088/0964-1726/24/5/055017 .

[9] Гибсон, РФ, «Обзор последних исследований по механике многофункциональных композитных материалов и конструкций», Composite Structures 92 (2010) 2793»

[10] Гойни Ф. Х., Вихманн МХГ, Фидлер Б., Баухофер В., Шульте К., «Влияние наномодификации на механические и электрические свойства обычных армированных волокном композитов», Композиты, часть A: Прикладная наука и производство, 36 (2005) 1525-1535

[11] З. Спитальски, Д. Тасис, К. Папагенлис, К. Галиотис, «Композиты углеродные трубки и полимер: химия, обработка, механические и электрические свойства», Progress in Polymer Science 35 (2010) 357-401

[12] Г. Ромхани, Г. Себени, «Межламинарное распространение трещин в гибридных композитах МУНТ/волокно», eXPRESS Polymer Letters Vol. 3, № 3 (2009) 145-151

[13] В. Костопулос, А. Балтопулос, П. Карапапас, А. Ваволулиотис, А. Пайпетис, «Ударные и послеударные свойства композитов, армированных углеродным волокном, усиленных многостенными углеродными нанотрубками», Composites Science and Technology 70 (2010) 553-563

[14] Л. Горбатих, Ю. Динг, Н. Де Греф, Д. Иванов, М. Карахан, А. Годара, Л. Меццо, С. Ломов, И. Верпоест, «Влияние углеродных нанотрубок на развитие повреждений в волокне». армированные композиты», 14-я Европейская конференция по композитным материалам, 7–10 июня 2010 г., Будапешт, Венгрия.

[15] ПРОЕКТ САРИСТА www.saristu.eu

[16] СЕРДЦЕ «КОРДИС | Европейская Комиссия» . Архивировано из оригинала 23 декабря 2015 г. Проверено 11 октября 2012 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]