Śmigłowiec H135 wykorzystuje polimer wzmocniony włóknem węglowym do zastąpienia aluminiowych części konstrukcyjnych

Airbus z powodzeniem zastąpił oryginalną ramę pierścieniową ze stopu aluminium śmigłowca H135 polimerem wzmocnionym włóknem węglowym (CFRP) jako surowcem, stosując wieloczęściowy połączony proces wstępnego i jednorazowego nalewania.

Jako śmigłowiec ratownictwa medycznego / lotniczego pogotowia ratunkowego, lekki dwusilnikowy śmigłowiec Airbus H135 stał się śmigłowcem o najniższych kosztach eksploatacji i konserwacji wśród podobnych produktów Airbusa ze względu na wysoką niezawodność, wielofunkcyjność i korzyści kosztowe. Obecnie ponad 1350 H135 jest eksploatowanych w ponad 60 krajach lub regionach, świadcząc usługi dla ponad 300 operatorów. Jednak wraz ze wzrostem czasu lotu o H135, odpowiednie regularne dane dotyczące eksploatacji i konserwacji pokazują, że pierścieniowa rama ze stopu aluminium łącząca belkę ogonową CFRP i osłonę wirnika ogonowego CFRP jest podatna na zmęczenie i korozję, co bezpośrednio prowadzi do wzrostu kosztów eksploatacji i wykrywania konserwacji. Aby obniżyć koszty i zapewnić bezpieczeństwo nadwozia, Airbus zaczął badać nowy schemat projektowania procesu dla odporności na korozję i zmęczenie pierścieniowej ramy.

Airbus najpierw rozważał schemat oparty na stopie tytanu, ale proces obróbki i surowce ze stopu tytanu są droższe niż schemat aluminium. Dlatego multidyscyplinarny zespół badawczo-rozwojowy opracował nowy schemat projektowania oparty na CFRP przy użyciu procesów prepregu, perfuzji wspomaganej próżniowo (VAP) i formowania transferowego żywicy (RTM). Po obliczeniach waga nowego schematu jest zmniejszona o 25% w porównaniu ze schematem aluminiowym, a koszt jest zmniejszony o 50% w porównaniu ze schematem stopu tytanu, co znacznie zmniejsza koszty wykrywania i konserwacji.

Inżynierowie nie mogą zmienić istniejącej konstrukcji belki ogonowej i osłony wirnika ogonowego, a rama pierścieniowa jest główną konstrukcją łączącą belkę ogonową i osłonę wirnika ogonowego. Dlatego rama pierścieniowa CFRP musi mieć taką samą powierzchnię połączenia i wymiary geometryczne jak oryginalna rama aluminiowa, co znacznie ogranicza swobodę schematu projektowania. Poprzez komunikację i ocenę zespół inżynierów oraz inżynierowie projektu, naprężeń i produkcji ostatecznie decydują się na użycie standardowych materiałów specyfikacji, które były szeroko stosowane w rzeczywistej produkcji, aby zminimalizować koszty badań i rozwoju oraz późniejsze koszty produkcji seryjnej. Wśród nich skośne włókno węglowe G0986 amerykańskiej firmy Hexcel zastosowane w nowym schemacie było szeroko stosowane w formowaniu wylewowym innych projektów śmigłowców Airbusa; Żywica do nalewania jest jednym ze składników żywicy epoksydowej rtm6 firmy hatch, która przeszła już certyfikację nalewania żywicy i RTM firmy airbus helicopter.

Ze względu na skrajną nierozmieszczalność geometrii ramy pierścienia, inżynierowie zaprojektowali dodatkowe cięcia i nacięcia w preformie, aby uniknąć zmarszczek podczas formowania. Następnie inżynierowie przetestowali wytrzymałość na ściskanie wewnętrznego kołnierza, zweryfikowali zdolność rozmieszczenia pierścieniowej ramy CFRP i interfejs między pierścieniową ramą CFRP a niewzmocnioną polimerową płytą klinową poprzez statyczne i dynamiczne testy rozciągania. Wyniki testów pokazują, że nowa konstrukcja ramy pierścienia CFRP jest bardzo wytrzymała i może bezpiecznie poradzić sobie z oczekiwanym obciążeniem.

Do wylewania żywicy zespół inżynierów opracował cztery preformy, jak pokazano na poniższym rysunku. Wśród nich preforma nr 3 obejmuje dwie części A i B; Preforma nr 4 to niewzmocniona polimerowa płytka klinowa zapewniająca połączenie obszaru t.

W przypadku czterech preform zespół inżynierów opracował odpowiednie specjalne oprzyrządowanie, a następnie zmontował wszystkie preformy i pierścieniowe płyty klinowe razem w końcowe narzędzie do utwardzania. Ostateczne kompletne narzędzia do utwardzania są wykonane ze stopu aluminium, w tym niebieskiego oprzyrządowania zamocowanego na szarej płycie podstawy, zielonego pierścienia oprzyrządowania połączonego wieloma częściami oraz pomarańczowego i żółtego oprzyrządowania górnego pierścienia. Celem konstrukcyjnym wieloczęściowego oprzyrządowania do łączenia jest zapobieganie sile skurczu spowodowanej chłodzeniem oprzyrządowania podczas utwardzania i chłodzenia.

Po zakończeniu montażu laminatów i oprzyrządowania zespół inżynierów stosuje najbardziej typowy i opłacalny schemat procesu VAP do wylewania żywicy. Po utwardzaniu, chłodzeniu i odformowywaniu zespół przeprowadza obróbkę wykończeniową krawędzi części, a następnie wykonuje precyzyjne wiercenie w celu późniejszych prac nitowania. W celu zapewnienia dokładności połączenia między ramą pierścieniową a belką ogonową i osłoną wirnika ogonowego, tolerancja projektowa połączenia musi być kontrolowana w ramach±0,4 mm. Wyniki analizy metodą elementów skończonych pokazują, że wyniki projektowania matryc nowego schematu są "jednorazowym sukcesem" i mogą spełnić wymagania tolerancji.

Nowy projekt ramy pierścieniowej z CFRP firmy Airbus został ukończony około rok temu, ale zmiana ze stopu aluminium na materiał kompozytowy zajęła dużo czasu. Firma musi wziąć pod uwagę wiele problemów, takich jak racjonalność projektowania, weryfikacja i potwierdzenie etapów procesu, stabilność masowej produkcji i tak dalej. Ponadto bardzo ważne jest również szkolenie personelu w zakresie nowego procesu. Należy upewnić się, że personel inżynieryjny w każdym ogniwie jest gotowy do dostosowania się do nowego schematu projektowania. Airbus uważa, że konwersja produkcji ram pierścieniowych z procesu stopu aluminium na proces CFRP jest nie tylko prostą modyfikacją istniejących części, ale także zmianą technologiczną w dziale śmigłowców Airbus; Wśród nich najtrudniejszą pracą nie jest spełnienie wymagań tolerancji geometrycznej, ale pomyślny rozwój preform.

Obecnie wszystkie nowo wyprodukowane śmigłowce H135 są wyposażone w nowe ramy pierścieniowe CFRP. Ze względu na doskonałą odporność na korozję i zmęczenie nowej ramy pierścienia CFRP, Airbus zmniejszył masę produktu o około 0,5 kg, znacznie poprawił wydajność bezpieczeństwa oraz skrócił czas wykrywania i koszty.