Kodėl anglies pluoštas yra idealus medžiaga bepiločių orlaivių gamybai?

Tokios lengvos kaip aliuminis ir stipresnės už plieną, anglies pluošto medžiagos perdefinuoja skrydžių aparatų našumo ribas.

Kai kopterų technologija sparčiai tobulėja – nuo žemės ūkio kenkėjų naikinimo iki logistikos ir pristatymo, nuo karinės žvalgybos iki skubios gelbėjimo operacijos – medžiagų pasirinkimas tiesiogiai nulemia skrydžio našumo viršutinį ribą. Tarp daugybės galimų variantų anglies pluošto kompozitai tapo geriausiu pasirinkimu vidutinės ir aukštos klasės kopterams dėl jų unikalių našumo pranašumų.

Lengvoji konstrukcija: dvigubas pranašumas atstumuose ir krovinio talpoje

Kopterų skrydžio trukmė ir krovinio talpa visada buvo ribojamos konstrukcijos svorio, o anglies pluošto tankio pranašumas tapo raktiniu šios problemos sprendimu. Anglies pluošto kompozitų tankis siekia tik 1,5–1,6 g/cm³, kas atitinka 54 % aliuminio lydinio ir 20 % plieno tankio.

Šio svorio sumažėjimo pranašumai akivaizdūs: daugiakryliai skrydžio aparatai su anglies pluošto konstrukcijomis sveria 25–30 % mažiau nei jų aliuminio lydinio analogai, o jų skrydžio trukmė padidėja 20–25 % esant tokiai pačiai akumuliatoriaus talpai. JAV „Global Hawk“ bepiločio žvalgybos lėktuvo struktūroje daugiau kaip 65 % sudaro anglies pluoštas, todėl jam pavyko pasiekti išskirtinai ilgą – 40 valandų iš eilės – skrydžio trukmę.

Dar labiau įspūdinga tai, kad anglies pluošto specifinis stiprumas (stiprumas vienetinės tankio vienetui) siekia 785 × 10⁷ cm, kas yra 6,8 karto didesnė vertė nei aliuminio lydinio ir 10,3 karto didesnė nei titano lydinio. Tai reiškia, kad to paties svorio anglies pluoštas gali atlaikyti didesnę apkrovos slėgio jėgą. Praktinė patirtis Guangdžou skrydžio aparato kompanijos parodė, kad padidinus anglies pluošto medžiagų dalį iki 92–95 %, jos pramoniniai skrydžio aparatai gali vežti 100 kg papildomo krovinio lyginant su kitais to paties dydžio modeliais, taip pat užtikrinant stabilų skrydį su 300 kg krovinio apkrova.

Aukšta standumo laipsnis: užtikrinama stabilumas sudėtingose aplinkose

Dronų patikimumas sudėtingose aplinkose priklauso daugiausia nuo orlaivio konstrukcijos medžiagos standumo. Anglies pluošto kompozitų specifinis standumas (standumas vienetiniam masės vienetui) siekia 113 × 10⁷ cm, kuris žymiai viršija aliuminio (26 × 10⁷ cm) ir titano (25 × 10⁷ cm) reikšmes.

Bandymų duomenys rodo, kad veikiant oro srautui 120 km/h greičiu anglies pluošto sparno maksimalus deformavimas yra tik viena trečdalio aliuminio lydinio sparno deformavimo, užtikrindamas tikslų skrydžio padėties valdymą. Aukštumose ir stiprios vėjo sąlygomis tyrimų dronai su anglies pluošto konstrukcijomis gali veikti stabiliai, tuo tarpu tradicinių medžiagų modeliai dėl konstrukcijos virpėjimų praranda daugiau nei 20 % duomenų tikslumo.

Technologijų naujovės: nuo aukštos kokybės individualių sprendimų iki masinės gamybos

Pažengusių formavimo procesų subrendimas skatina anglies pluošto lėktuvų korpusų masinę įdiegimą. Naudojant 2500 metrų tonos slėgio presą, kompresinio formavimo procesas leidžia suformuoti bežmoginio orlaivio korpusą vienu kartu per tik 10 minučių, padidinant gamybos našumą aštuonis kartus lyginant su tradiciniais metodais.

Dar įdomesnis yra nuolatinio anglies pluošto 3D spausdinimo technologijos pralaužimas. FS25e – pirmasis pasaulyje sudėtinio sparno bežmoginis orlaivis, sukurtas šios technologijos pagrindu – sėkmingai atliko savo pirmąjį skrydį. Jo integruota sparno-kūno-ramsties skeletinė konstrukcija žymiai sutrumpino tiek gamybos ciklą, tiek sąnaudas. Ši technologija išsprendžia esamų sudėtinių medžiagų formavimo procesų kylančią problemą – sudėtingų konstrukcijų aukšto našumo ir integruoto formavimo pasiekimas, taip reikšmingai pagerindama medžiagų naudojimo efektyvumą ir veiksmingai sutrumpindama gamybos bei surinkimo ciklus.

Didelės klasės bepilotių orlaivių srityje vietinės gamybos 7 tonų krovininio bepilotinio orlaivio „Changying-8“ sudėtyje daugiau kaip 80 % sudaro kompozitiniai medžiagų, o jo kompozitinė sistema visiškai užtikrinama vietinėmis tiekimais. Jo sparnai naudoja vientisinį kartu kaitinamą gamybos procesą, kuris žymiai sumažina surinkimo siūles ir įtempimo koncentracijas, tuo pačiu stiprindamas konstrukcijos stiprumą ir stabilumą.

Ateitis jau čia: naujos galimybės anglies pluoštui

Stabiliai masiškai gaminant vietinės gamybos T1000 klasės anglies pluoštą – kuris turi tempimo stiprumą, viršijantį 6600 megapaschalų, ir gali atlaikyti apytiksliai 200 kilopaschalų jėgą viename metre, – Kinijos savarankiškumas ir kontrolė virš aukštos kokybės aviacijos ir kosmoso medžiagų dar labiau sustiprėjo.

Dar labiau žadantis yra naujasis anglies pluošto struktūros superkondensatorius, kurį sukūrė Nanjingo aeronomikos ir kosmonautikos universiteto komanda. Jis leis orlaiviams įgyvendinti „skrydžio konstrukcijos kaip akumuliatoriaus“ sąvoką. Tai leis pačiai skrydžio konstrukcijai kaupyti energiją be papildomų baterijų svorio, taip visiškai išsprendžiant orlaivių dilemą – kompromisinį santykį tarp skrydžio trukmės ir krovinio talpos.

Nuo medžiagų keitimo iki dizaino sąvokų inovacijų anglies pluošto kompozitai tampa svarbiu varomuoju jėga, užtikrinančia našumo pralaimėjimus orlaiviuose ir skatinančia šią besiformuojančią pramonę nuo technologinio tyrinėjimo link komercinio įdiegimo, taip teikiant veiksmingesnius ir patikimesnius oro sprendimus logistikai, žemdirbystei, krizės valdymui ir kitoms srityms.