Почему многоосевые ткани из углеродного волокна с переплетением типа «варп-трикотаж» стали новым фаворитом «экономики низколетающих летательных аппаратов»?

Какие новые требования предъявляет развитие экономики низколетящих летательных аппаратов к материалам?

Для беспилотных летательных аппаратов и электрических вертолётов «лёгкость» означает не просто снижение массы.

Снижение массы летательного аппарата позволяет сократить энергопотребление в полёте, увеличить продолжительность полёта и повысить грузоподъёмность. Следовательно, минимизация конструкционной массы при одновременном обеспечении структурной безопасности и жёсткости всегда остаётся ключевой задачей при проектировании низколетящих летательных аппаратов.

В то же время низколетящие летательные аппараты должны также выдерживать сложные условия нагружения.

Фюзеляж, несущие элементы, крылья, пропеллеры и соединительные конструкции подвергаются различным нагрузкам в полёте, включая растяжение, сжатие, изгиб, кручение и вибрацию.

Это означает, что идеальный конструкционный материал должен обладать не только высокой прочностью и жёсткостью, но и допускать целенаправленное проектирование для адаптации к направлению сил, действующих на различные участки конструкции.

Именно здесь и проявляются преимущества многоосевых углеродных трикотажных тканей с основной вязкой.

Что такое многоосевая углеродная трикотажная ткань с основной вязкой?

В отличие от распространённых однонаправленных (0°/90°) углеродных тканей полотняного и саржевого переплетений, многоосевые трикотажные ткани с основной вязкой не просто переплетают волокна.

Они позволяют укладывать углеродные волокна в различных направлениях, например:

в комбинациях 0°, ±45° и 90°, а также других.

Волокна, ориентированные под разными углами, воспринимают нагрузки в разных направлениях, а трикотажные нити с основной вязкой фиксируют отдельные слои волокон, образуя единое целое.

Такая структура позволяет лучше согласовать ориентацию волокон материала с реальными условиями напряжённости, возникающими в изделии.

Проще говоря:

там, где требуется выдерживать силу в определённом направлении, можно расположить больше волокон именно в этом направлении.

Это также делает многоосевые тканые углеродные волокна особо подходящими для конструкций летательных аппаратов и летательных средств малой высоты, предъявляющих высокие требования как к эксплуатационным характеристикам конструкции, так и к её массе.

Почему они особенно подходят для беспилотных летательных аппаратов?

1. Многонаправленное восприятие нагрузок для удовлетворения сложных требований по нагружению

На беспилотные летательные аппараты действуют силы не только в одном направлении.

Например, во время полёта рычаги одновременно подвергаются таким нагрузкам, как изгиб, кручение и вибрация.

Если используются только однонаправленные укладки волокон, трудно обеспечить механические требования в различных направлениях.

В отличие от этого, многоосевые структуры позволяют реализовать более рациональный механический расчёт за счёт комбинации волокон, ориентированных под разными углами, например, под 0°, ±45° и 90°.

В частности:

волокна 0° в первую очередь воспринимают продольные растягивающие и сжимающие нагрузки;

волокна ±45° повысить сопротивление конструкции срезающим и крутильным нагрузкам;

в то время как волокна под углом 90° способствуют улучшению поперечной устойчивости.

Сочетание волокон под разными углами позволяет достичь более рационального несущего конструктивного решения.

2. Выдающиеся преимущества в снижении массы

Для летательных аппаратов даже незначительное снижение массы конструкции даёт ощутимые эксплуатационные преимущества.

Углеродное волокно обладает высокой удельной прочностью и высокой удельной жёсткостью, что обеспечивает значительные преимущества при создании облегчённых конструкций.

Кроме того, многоосевые тканые трикотажные полотна позволяют проектировать ориентацию волокон в соответствии с характером нагрузок на изделие, тем самым сокращая избыточное количество слоёв материала при соблюдении требований к конструкционным характеристикам.

Таким образом, данный подход представляет собой не просто замену более тяжёлых материалов на более лёгкие, а метод достижения облегчения конструкции за счёт оптимизации ориентации волокон.

Почему ткань, полученная многонаправленным трикотажем с основой, привлекает всё больше внимания по сравнению с традиционными тканями?

Помимо механических свойств, многоосевые ткани, полученные трикотажем с основой, обладают ещё одним существенным преимуществом: высокая эффективность укладки.

В традиционных процессах производства композитов волокна, ориентированные в разных направлениях, зачастую необходимо разрезать и укладывать отдельно, а затем складывать в несколько слоёв в соответствии с проектными требованиями.

Многоосевые ткани, полученные трикотажем с основой, позволяют заранее объединить волокна, ориентированные в нескольких направлениях, в единый интегрированный материал. Это означает, что в определённых конструкциях количество операций укладки может быть сокращено, что повышает эффективность размещения материала.

Это особенно важно для будущего массового производства летательных аппаратов малой высоты.

Дело в том, что по мере перехода беспилотных летательных аппаратов от «мелкосерийной кастомизации» к «массовому производству» материалы должны не только соответствовать требованиям к эксплуатационным характеристикам, но и учитывать:

производственная эффективность, использование материалов, стабильность процессов и производственные затраты.

Следовательно, ценность многоосевых трикотажных тканей с основной вязкой заключается не только в их «эксплуатационных характеристиках материала», но и в их «производственной эффективности».

Где ещё в будущем могут применяться многоосевые трикотажные ткани из углеродного волокна?

По мере дальнейшего развития экономики низкоуровневого воздушного пространства применение область применения многоосевых материалов из углеродного волокна не ограничивается отдельными компонентами.

Перспективные направления для наблюдения в будущем включают:

1. Фюзеляжные конструкции БПЛА

Используются в оболочках фюзеляжа, несущих конструкциях и других компонентах для достижения снижения массы и усиления конструкции.

2. Руки (рычаги) БПЛА

За счёт комбинирования волокон, ориентированных в разных направлениях, повышается сопротивление руки изгибу и кручению.

3. Крылья и конструкции крыльев

Ориентация волокон разработана с учётом характеристик нагрузки в различных областях крыла для достижения структурной оптимизации.

4. Фюзеляж eVTOL и внутренние несущие конструкции

Соответствие комплексным требованиям крупных летательных аппаратов к высокой прочности, лёгкости конструкции и структурной устойчивости.

5. Винты и другие композитные компоненты

Разработка укладки волокон в соответствии с конкретными направлениями нагрузки для предоставления материалов решений сложных композитных конструкций.

Weinuo: Поставка углеродного волокна для летательных аппаратов малой высоты

Будучи поставщиком композитов на основе углеродного волокна, Weinuo предлагает широкий ассортимент продукты включая тканые материалы из углеродного волокна однонаправленных армирующих тканей, препрегов, многоосевых трикотажных тканей с основой, панелей из углеродного волокна и компонентов, обработанных на станках с ЧПУ, а также обладает всесторонними возможностями обработки — от сырья до полуфабрикатов.

В частности, производственная линия по многоосному утокно-триковому трикотажу из углеродного волокна способна обеспечивать материальные решения с различными ориентациями волокон и комбинациями поверхностной плотности для удовлетворения разнообразных требований заказчиков к конструкционному проектированию.

Перед лицом стремительно развивающейся экономики низкоуровневого воздушного пространства инновации в области материалов становятся ключевым драйвером облегчения летательных аппаратов.

В будущем многоосные утокно-триковые ткани из углеродного волокна, вероятно, станут одним из ключевых материалов, позволяющих большему числу летательных аппаратов низкоуровневого воздушного пространства «взлетать с меньшей нагрузкой».