Estado de aplicación de compuestos a base de resina reforzados con fibra, incluida la aramida, en helicópteros

Abstracto

Este artículo presenta las características relevantes de los compuestos a base de resina reforzados con fibra y los tipos y propiedades de los compuestos a base de resina reforzados con fibra comúnmente utilizados en helicópteros. Describe las características estructurales de los helicópteros y las partes de aplicación específicas y el estado actual de los compuestos a base de resina reforzados con fibra en helicópteros. Se analizan las características estructurales, la selección de materiales y las funciones de estas piezas de aplicación en helicópteros, y también se anticipan las tendencias futuras de desarrollo de materiales compuestos para helicópteros. Las investigaciones muestran que los compuestos a base de resina reforzados con fibra han logrado una aplicación generalizada en helicópteros debido a sus excelentes propiedades materiales, desempeñando un papel vital en el avance de la tecnología de helicópteros.

01 Introducción

Los materiales compuestos son nuevos sistemas materiales formados mediante la combinación de varios materiales con diferentes propiedades físicas y químicas, como polímeros orgánicos, no metales inorgánicos o metales, mediante procesos compuestos, logrando diferentes escalas y niveles estructurales (microscópicos, mesoscópicos o macroscópicos) a través de complejas combinaciones espaciales. Los materiales compuestos suelen utilizar resinas, metales y cerámicas como matriz y materiales de refuerzo de alto rendimiento, como fibras, tejidos y bigotes, como refuerzos, fabricados mediante procesos especiales de materiales compuestos. Los materiales compuestos pueden conservar las características originales de los materiales constituyentes al tiempo que adquieren nuevas propiedades, lo cual es de gran importancia para mejorar el rendimiento general de los materiales. Actualmente, los materiales compuestos se han convertido en uno de los cuatro principales sistemas de materiales junto con los materiales metálicos, los materiales inorgánicos no metálicos y los materiales poliméricos. Los materiales compuestos poseen muchas características, como alta resistencia específica, alto módulo específico, baja gravedad específica, peso ligero, propiedades diseñables y propiedades químicas estables. Cuando se aplican a estructuras de helicópteros, pueden mejorar eficazmente el rendimiento de la aeronave, garantizar la seguridad del vuelo y lograr una reducción del peso estructural. Con el rápido desarrollo de los materiales compuestos, la aplicación y cantidad de materiales compuestos avanzados en partes clave de las aeronaves se han convertido en uno de los indicadores importantes para medir el avance de las estructuras de las aeronaves.

02 Materiales compuestos a base de resina reforzados con fibra

Los materiales compuestos reforzados con fibras son materiales compuestos preparados mediante diversos procesos de moldeo, como bobinado, moldeado o pultrusión de fibras de refuerzo y materiales de matriz. Las fibras, como materiales de refuerzo, son el componente principal de los materiales compuestos reforzados con fibras. Las fibras utilizadas son muy pequeñas, generalmente con un diámetro inferior a 10 μm, tienen pocos defectos y poseen alta resistencia y módulo, lo que las convierte en las principales partes portantes del material compuesto. El material de la matriz es a menudo un material resistente con propiedades viscoelásticas y elastoplásticas, capaz de soportar grandes tensiones y servir para unir y proteger los materiales de fibra, desempeñando un papel crucial en el mantenimiento de la integridad y consistencia de la estructura compuesta. Los compuestos reforzados con fibra tienen alta resistencia específica, alta rigidez específica, buen rendimiento de amortiguación y resistencia a la fatiga, y sus propiedades pueden diseñarse según los requisitos, lo que los convierte en el material principal elegido para componentes compuestos en el campo de los helicópteros.

Los materiales comúnmente utilizados en los helicópteros son compuestos a base de resina reforzados con fibra, donde el refuerzo es material de fibra de alto rendimiento y la matriz es material de resina de alto rendimiento. El tipo, orientación y cantidad de fibras de refuerzo afectan significativamente la densidad, resistencia y comportamiento a la fatiga del material compuesto. Los materiales de refuerzo de fibra más utilizados incluyen fibra de carbono, fibra de vidrio y fibra de aramida. La función de la matriz de resina es unir los materiales de refuerzo, proteger las fibras de factores físicos y químicos externos y también impedir la propagación de grietas cuando las fibras se rompen. La selección del material de la matriz de resina determina la tenacidad, la resistencia al envejecimiento por calor húmedo y la temperatura de servicio del material compuesto. Las matrices de resina generalmente se clasifican en tipos termoestables y termoplásticos. Las resinas termoestables se refieren principalmente a resinas epoxi, resinas de bismaleimida y resinas de poliimida; Las resinas termoplásticas incluyen etileno, nailon, politetrafluoroetileno y polieteretercetona (PEEK). Las resinas termoestables tienen una larga historia de aplicación, mientras que las resinas termoplásticas se introdujeron más tarde. Sin embargo, su desarrollo ha sido rápido en los últimos años y su característica de ser reversibles después del curado mejora en gran medida la reciclabilidad de los materiales compuestos. Actualmente, muchos helicópteros en el extranjero utilizan materiales compuestos termoplásticos reforzados con fibras. Este artículo presenta varios tipos de materiales compuestos a base de resina reforzados con fibra que se utilizan comúnmente en helicópteros en la actualidad.

2.1 Materiales compuestos a base de resina reforzados con fibra de carbono

La fibra de carbono es un material fibroso de grafito microcristalino con un contenido de carbono de aproximadamente el 95%. Se produce principalmente carbonizando y grafitizando fibras orgánicas a altas temperaturas de 1300 ℃ ~ 1800 ℃ bajo protección de gas inerte. La fibra de carbono posee excelentes propiedades como alta resistencia, alto módulo, baja densidad, sin fluencia, resistencia a altas temperaturas en ambientes no oxidantes, buena resistencia a la fatiga, buena resistencia a la corrosión y buena conductividad eléctrica y térmica. Actualmente es el material de refuerzo más utilizado e importante. Entre ellos, los compuestos de matriz de resina reforzada con fibra de carbono, formados combinando fibra de carbono con materiales de resina, exhiben el mejor rendimiento integral entre los materiales estructurales existentes y se utilizan más ampliamente en helicópteros, siendo los compuestos de matriz de resina epoxi reforzados con fibra de carbono un ejemplo típico. Después de años de verificación, las matrices de resina epoxi poseen numerosas ventajas, como un excelente rendimiento integral, buena procesabilidad y bajo costo. Para mejorar aún más el rendimiento y la calidad de los materiales compuestos, se han desarrollado sucesivamente resinas de bismaleimida y resinas de poliimida resistentes a altas temperaturas. Los compuestos reforzados con fibra de carbono fabricados con resinas de bismaleimida y otros materiales como matrices se están aplicando gradualmente en helicópteros, mejorando su adaptabilidad y durabilidad en entornos hostiles como altas temperaturas y calor elevado.

2.2 Compuestos de matriz de resina reforzada con fibra de vidrio

La fibra de vidrio es un material inorgánico no metálico de alto rendimiento con alta resistencia y elasticidad, además de ventajas como una fuerte resistencia al calor, buen aislamiento y resistencia a la corrosión. Los materiales compuestos fabricados con fibra de vidrio como material de refuerzo pueden mejorar eficazmente el rendimiento y la densidad del material. Los compuestos de matriz de resina epoxi de fibra de vidrio se utilizan principalmente en helicópteros. Los materiales compuestos fabricados a partir de diferentes tipos de fibras de vidrio tienen diferentes propiedades y aplicaciones. Según los requisitos de aplicación práctica, los compuestos de matriz de resina reforzada con fibra de vidrio hechos de tela de fibra de vidrio, cinta de vidrio y fibras cortadas se utilizan comúnmente en la fabricación de componentes de helicópteros.

2.3 Compuestos de matriz de resina reforzada con fibra de aramida

La fibra de aramida es un nuevo tipo de material de fibra sintética de alto rendimiento, también conocida como fibra de poliamida aromática. La fibra de aramida posee una excelente resistencia a altas temperaturas y propiedades antienvejecimiento. Es liviano pero de alta resistencia, pesa solo aproximadamente 1/5 del peso del alambre de acero, pero tiene una resistencia de 5 a 6 veces mayor que la del alambre de acero. La fibra de Kevlar producida por DuPont es un ejemplo típico de fibra de aramida. El rendimiento de resistencia y el diseño liviano proporcionados por los compuestos de matriz de resina reforzada con fibra de aramida mejoran efectivamente la capacidad de respuesta y la letalidad del helicóptero.

03 Características estructurales del helicóptero

Los helicópteros poseen capacidades de vuelo únicas y formas estructurales distintivas, lo que los convierte en la única herramienta de transporte actualmente capaz de llegar a cualquier terreno. La estructura del helicóptero consta principalmente de dos partes: el sistema de rotor y la estructura del fuselaje. El sistema de rotor de un helicóptero consta de dos partes principales: las palas del rotor y el cubo del rotor. Las palas del rotor se pueden dividir a su vez en palas del rotor principal y palas del rotor de cola. El sistema de rotor es una estructura de componentes móviles única en un helicóptero. La rotación del rotor proporciona sustentación, fuerza de control y empuje hacia adelante, lo que permite al helicóptero realizar diversas operaciones aéreas, incluido el despegue y aterrizaje vertical, el vuelo estacionario, el vuelo hacia adelante, el vuelo lateral, el vuelo en U y el vuelo a baja altitud. Además, en caso de fallo del motor, el sistema de rotor puede utilizar su energía cinética rotacional existente y la propia energía potencial del helicóptero para autorrotar el rotor, garantizando un descenso seguro y un aterrizaje sin planeo.

La estructura del fuselaje es un componente crucial que soporta y asegura las partes y sistemas del helicóptero, conectándolos en un todo unificado. Es responsable de transportar y transportar personal, equipos y suministros. La forma de la estructura del fuselaje afecta significativamente el rendimiento de vuelo, el manejo y la estabilidad del helicóptero. Las estructuras del fuselaje de los helicópteros deben priorizar la reducción de peso, y los helicópteros militares también deben considerar características de diseño como la protección contra balas, la resistencia a los impactos, el sigilo y la absorción de energía. Además, los helicópteros generalmente vuelan a altitudes inferiores a 6000 m, y algunos alcanzan tan solo 15 m, lo que los convierte en aviones de altitud baja a media. Sus principales entornos operativos son condiciones duras como humedad/calor, seco/frío, tormentas de arena/lluvia y agua de mar. Por lo tanto, las estructuras de los helicópteros suelen requerir una excelente resistencia a la intemperie y a la corrosión para cumplir con los estrictos requisitos de diferentes regiones y climas.

04 Aplicación de materiales compuestos a base de resina reforzados con fibra en helicópteros

4.1 Palas del rotor

El revolucionario desarrollo de materiales compuestos en helicópteros comenzó en la década de 1960 con el desarrollo exitoso de palas de rotor compuestas reforzadas con fibra de vidrio para helicópteros como el BO-105 de MBB (Messerschmitt-Bolkow-Blohm) en Alemania Occidental, el SA341 "Gazelle" de Aerospatiale en Francia y el Ka-26 de Kamov en Rusia. Esto marcó el comienzo de la aplicación de palas de rotor compuestas en helicópteros.

Hoy en día, la tecnología de los helicópteros ha avanzado hasta la tercera y cuarta generación, con palas de rotor ampliamente diseñadas y fabricadas con materiales compuestos. En comparación con las palas metálicas utilizadas en los primeros helicópteros, las palas compuestas tienen una vida útil significativamente más larga, generalmente superior a las 6000 horas, a diferencia de la vida útil típica de las palas metálicas de 2000 horas. Las hojas compuestas son más fáciles de reparar, tienen menores costos de mantenimiento, ciclos de mantenimiento más cortos y permiten la intercambiabilidad de una sola hoja. La aplicación de palas compuestas ha mejorado enormemente la eficiencia operativa y la seguridad de los helicópteros, ha reducido el coste total de la vida útil de las palas de los rotores de los helicópteros y ha aportado considerables beneficios económicos.

Los compuestos de matriz de resina reforzada con fibra, debido a su excelente rendimiento y diseño, se han utilizado ampliamente en palas compuestas de helicópteros, representando aproximadamente el 70% del uso actual de palas. Los componentes fabricados a partir de compuestos de matriz de resina reforzada con fibra en palas compuestas incluyen principalmente revestimientos, largueros y rellenos de juntas, todos los cuales son componentes clave de la pala. Los compuestos de matriz de resina reforzados con fibras utilizados en la fabricación de palas, también conocidos como preimpregnados, se fabrican impregnando previamente materiales de fibra en una matriz de resina bajo estricto control.



La piel es un componente crucial que soporta carga y da forma a la hoja, proporcionando rigidez torsional y tetánica primaria. Se compone principalmente de preimpregnado de fibra de carbono y preimpregnado de fibra de vidrio, y diferentes opciones de estratificación de la piel permiten el diseño y fabricación de palas compuestas con diferentes cualidades de rendimiento. Los largueros son el principal componente de carga de la pala compuesta, ubicados en el borde de ataque. Esta área normalmente sirve como el lado de barlovento durante la rotación de la pala y experimenta la mayor resistencia al viento, por lo que requiere alta resistencia y rigidez estructural. Los largueros están hechos principalmente de un material compuesto a base de resina reforzado con fibra de vidrio de alta resistencia, generalmente colocados a lo largo del tramo de la pala. El relleno de juntas está fabricado con material compuesto a base de resina de fibras picadas, utilizando generalmente fibras de vidrio picadas. Ubicado en la raíz de la hoja, el relleno para juntas debe estar preformado antes de moldear y ensamblar la hoja. La raíz de la pala se conecta al buje y todas las cargas dinámicas y estáticas se transfieren al buje a través de ella, lo que la convierte en la parte más compleja de la estructura de la pala bajo tensión. Debido a los numerosos y complejos componentes en la raíz de la pala, el rendimiento, la forma y la posición del relleno para juntas afectan directamente la calidad y la resistencia del moldeo de la pala. Además, las láminas del borde de salida, que desempeñan un papel crucial en la regulación del bamboleo de la pala, generalmente están hechas de compuestos de matriz de resina reforzada con fibra de vidrio de alta resistencia. Actualmente, las palas compuestas de helicópteros domésticos utilizan principalmente compuestos de matriz de resina reforzada con fibra de curado a temperatura media, empleando un método de moldeo por compresión de curado conjunto de una sola vez. Las hojas de material compuesto extraño utilizan procesos de unión secundaria y curado a alta temperatura durante la fabricación. Con el rápido desarrollo de nuevos materiales, procesos y equipos, las palas compuestas de helicópteros abrirán posibilidades aún mayores en el futuro.

4.2 Cubo de la hoja

El cubo de las palas es un componente vital que monta las palas del rotor y conecta el sistema del rotor a los sistemas de transmisión y control. Los cubos de pala tradicionales están hechos en su mayoría de metal, ensamblados a partir de muchas piezas de precisión, lo que da como resultado una configuración muy compleja y altos costos de fabricación y mantenimiento. Cómo simplificar el diseño estructural, reducir la dificultad de fabricación y lograr una reducción del peso estructural garantizando al mismo tiempo el rendimiento y la calidad del cubo de las palas siempre ha sido un foco de esfuerzos de investigación. Con el desarrollo y la aplicación de materiales compuestos, han surgido nuevos avances y posibilidades en el diseño y fabricación de bujes de rotor de estructura simple, rendimiento estable, seguros, confiables y altamente eficientes.

Actualmente, la principal investigación de aplicaciones de materiales compuestos en estructuras de cubos de rotores se centra en la realización de estructuras de cubos de rotores sin cojinetes utilizando las propiedades de los materiales compuestos. Los cubos de rotor sin cojinetes eliminan las tres bisagras mecánicas de los movimientos de aleteo, cabeceo y guiñada, lo que representa un gran avance en la tecnología de rotores y significa la dirección de desarrollo de la tecnología de diseño de rotores. Las estructuras de cubo de rotor sin cojinetes utilizan vigas y manguitos flexibles para reemplazar las bisagras mecánicas en estas tres direcciones, siendo la viga flexible el componente clave. En los sistemas de rotor sin cojinetes, los grados de libertad para los movimientos de aleteo, cabeceo y guiñada de las palas son proporcionados por la deformación de la viga flexible. La aparición de la viga flexible puede simplificar enormemente la estructura del rotor, reducir los componentes de ensamblaje y reducir los costos de mantenimiento. La construcción de la viga flexible es muy compleja. Teniendo en cuenta sus estrictas condiciones de carga y requisitos de rendimiento, como la tensión permitida de los materiales utilizados en su fabricación, los compuestos de matriz de resina reforzada con fibra de vidrio de alto rendimiento se seleccionan principalmente para fabricar vigas flexibles. La tecnología de haz flexible para helicópteros está madura en el extranjero y los rotores sin cojinetes se han aplicado con éxito a varios helicópteros, como el EC-135 y el RAH-66. También se están llevando a cabo investigaciones y desarrollo nacionales de tecnologías de diseño y fabricación de estructuras de vigas flexibles, y se espera que esta nueva tecnología de rotor se aplique con éxito a helicópteros nacionales en un futuro próximo.

4.3 Estructura del fuselaje

Las estructuras de los helicópteros tienen grandes superficies curvas, lo que las hace adecuadas para la fabricación utilizando compuestos de matriz de resina reforzada con fibra. Debido a las numerosas superficies curvas complejas y de paredes delgadas, una gran cantidad de componentes, como la cabina, el carenado del borde de ataque y el carenado del brazo trasero, utilizan estructuras tipo sándwich en forma de panal hechas de compuestos de matriz de resina reforzada con fibra. Los helicópteros operan en entornos exteriores hostiles, especialmente los helicópteros militares, que con frecuencia están expuestos a altas temperaturas, alta humedad, lluvia y niebla salina. Teniendo en cuenta el impacto de los ambientes cálidos y húmedos, el curado a alta temperatura garantiza un curado completo, minimizando el impacto ambiental y reduciendo la degradación del rendimiento. Los principales componentes de soporte de carga de la estructura del fuselaje están hechos en su mayoría de compuestos de matriz de resina reforzada con fibra curados a alta temperatura, mientras que los componentes de soporte secundarios a menudo están hechos de compuestos curados a temperatura media. Además de los compuestos de matriz de resina reforzada con fibra de carbono y fibra de vidrio comúnmente utilizados, los compuestos de matriz de resina reforzada con fibra de aramida también se utilizan ampliamente en componentes de helicópteros, como estabilizadores horizontales, carenados, carenados de cola y cubiertas de acceso de mantenimiento. El compartimiento del motor del helicóptero y las áreas circundantes, como la boquilla de escape del motor, las tomas de aire y los carenados del compartimiento del motor, ahora se fabrican utilizando compuestos de matriz de resina reforzada con fibra de vidrio resistentes a altas temperaturas, en sustitución de las aleaciones de titanio tradicionales. La aplicación de este tipo de material impide eficazmente la propagación del fuego en situaciones de peligro, garantizando la seguridad y fiabilidad del helicóptero.

05 Conclusión

Los compuestos de matriz de resina reforzada con fibra se han utilizado ampliamente en estructuras de helicópteros debido a las excelentes propiedades de sus materiales, lo que constituye una contribución significativa al avance de la tecnología de helicópteros. El desarrollo futuro de la tecnología de helicópteros domésticos buscará alta eficiencia, larga vida útil, alta confiabilidad y bajo costo, lo que generará requisitos cada vez más estrictos tanto para materiales como para estructuras, y creará una necesidad urgente de materiales compuestos de alto rendimiento, tecnologías de diseño avanzadas y procesos de fabricación. Con el avance de la investigación y el desarrollo de tecnologías de materiales compuestos estructurales de alto rendimiento, representadas por fibras de carbono de alto módulo y alta resistencia de grado T1100 y matrices de resina termoplástica de alto rendimiento, es posible lograr la reducción del peso estructural y el reciclaje de compuestos de matrices de resina reforzadas con fibras al tiempo que se garantiza el rendimiento estructural de los materiales compuestos de helicópteros. La aplicación de tecnología de simulación digital avanzada a la fabricación de estructuras de materiales compuestos puede garantizar una mejor calidad de las piezas y reducir significativamente el desperdicio de materiales y recursos. La aplicación generalizada de tecnologías automatizadas de moldeo de materiales compuestos de bajo costo, como la colocación automatizada de fibras, también ayuda a reducir los costos de fabricación y mejorar la eficiencia de la producción.

Además, la localización de materiales de aplicación para helicópteros sigue siendo una dirección por la que seguimos esforzándonos y una tendencia de desarrollo futuro. Al tiempo que mejoran la variedad y el rendimiento de los materiales, los materiales compuestos nacionales de alto rendimiento deben alinearse aún más con las tecnologías internacionales avanzadas de materiales compuestos. Se cree que con el avance de la investigación y el desarrollo y los esfuerzos conjuntos de todos, la aplicación de compuestos de matriz de resina reforzada con fibra para helicópteros en mi país abrirá un nuevo capítulo.