Pro rozbor spektra používaných
kompozitních materiálů ke stavbě
lehkých sportovních letounů
a konzultace s příslušnými výrobci
byl vybrán užší okruh materiálů,
který sloužil jako základ
pro stanovení základního programu
materiálových zkoušek.
Pro dostatečný popis mechanických
vlastností daného materiálu
jsou prováděny statické zkoušky
tahem, tlakem, smykem a interlaminárním
smykem při různých
klimatických stavech.
Materiálová databáze byla mimo
jiné využita při návrhu letounu VL3
konstrukční firmou Vanessa AIR
a firmou Skolil kompozit pro srovnání
materiálových charakteristik
uhlíkových kompozitů.
PODPORA VZDĚLANOSTI
V OBLASTI KOMPOZITNÍCH
KONSTRUKCÍ
Z výsledku studie zpracované firmou
Vanessa Air vyplynulo, že se
v České republice zpracuje několik
desítek tun kompozitních materiálů
ročně a tento objem se meziročně
významně zvětšuje. V České republice
dosud chybí dostupné, kvalifikovaně
vypracované podklady pro
návrhy a analýzy kompozitních
konstrukcí. Tyto práce se v převážné
většině případů vykonávají
v malých a středních firmách, které
ale nemají finanční krytí pro pořizování
drahých zahraničních technologií
a financování velmi nákladného
výzkumu.
Ve snaze zpřístupnit široké
odborné veřejnosti a především
zpracovatelům kompozitních
materiálů nové poznatky z oblasti
aktuálních kompozitních technologií,
byly na FS ČVUT vyvinuty
aktivity pro získání a využití prostředků
z evropských strukturálních
fondů. Výsledkem je příprava
pravidelných seminářů pořádaných
ve spolupráci s Odborem
pružnosti a pevnosti na FS ČVUT.
Semináře jsou zaměřeny na
pochopení vlastností a možností
aplikace kompozitních materiálů
a na jejich aktuální využití i navázání
odborných a obchodních kontaktů.
V programu seminářů jsou
přednášky věnované návrhům
a optimalizaci kompozitních konstrukcí,
mechanice kompozitních
konstrukcí, výrobním technologiím
i defektoskopii kompozitních
konstrukcí.
V letošním roce probíhá rovněž
inovace výuky na FS ČVUT, zaměřená
na zavedení nového předmětu
věnovaného výpočtům, návrhům,
aplikacím a zkouškám kompozitních
konstrukcí podpořeného
v rámci Rozvojových programů
MŠMT.
POZEMNÍ DYNAMICKÉ ZKOUŠKY
MALÝCH SPORTOVNÍCH LETOUNŮ
Rozšiřující se uplatnění kompozitních
materiálů v primárních
konstrukcích malých sportovních
letounů vede ke zvyšování rychlosti
letu v důsledku menších
odporů aerodynamicky kvalitnějších
povrchů kompozitních dílů.
Vyšší rychlosti však přinášejí riziko
vzniku aeroelastických jevů,
zejména samobuzeného kmitání
- flutteru. Ve většině národních
leteckých předpisů se proto pro
tuto kategorii letadel vyžadují
průkaznější formy odolnosti
proti flutteru, než jen subjektivní
vyjádření zalétávacího pilota.
Třeba německé předpisy vyžadují
početní průkaz flutteru pro všechny
letouny, jejichž rychlost překračuje
200 km.h-1.
Z uvedených důvodů je jeden
z výzkumných úkolů Odboru letadel
na FS ČVUT zaměřen na průkaz
flutterové odolnosti malých sportovních
letadel pomocí pozemních
dynamických zkoušek. Ve spolupráci
s firmou TL Elektronic, Hradec
Králové byl vyvinut a uveden do
provozu systém TL-5424CDO pro
buzení a vyhodnocování vlastních
frekvencí a prahů kmitání relevantních
pro flutterové analýzy letounů
do hmotnosti cca 650 kg. Systém
umožňuje nezávislé harmonické
buzení až třemi elektrohydraulickými
vibrátory a současné snímání
odezvy konstrukce až dvanácti snímači
zrychlení. Využitím měřicího
softwaru jsou vyhodnocovány
jednotlivé vlastní způsoby kmitání,
které tvoří základní experimentální
podklady pro výpočty kritické rychlosti
flutteru.
KOMBINOVANÉ KOMPOZITNÍ
KONSTRUKCE
Na Odboru letadel a Odboru pružnosti
a pevnosti FS ČVUT se řeší též
úkol zaměřený na možnost náhrady
klasických kovových částí konstrukce
letounu za kompozitní. Je zřejmé,
že reálně nelze nahrazovat všechny
kovové díly kompozitními. Často
je nutné řešit spojení kompozitního
materiálu s materiálem kovovým, ať
už jde o přímé vlaminování kovové
části do kompozitu, nebo častěji
lepení. Přímé mechanické spoje
kov-kompozit trpí známými nedostatky
- problémy v rozvedení síly
přenášené kovovou částí do kompozitní
konstrukce a z toho vyplývajícími
problémy se životností spoje.
I v takových případech existují přijatelná
konstrukční řešení odstraňující
daný problém.
Projekt řešený na FS ČVUT je
zaměřen na náhradu klasických
kovových táhel systému řízení
malých sportovních letounů za
táhla kompozitní. Myšlenka užití
kompozitního táhla k řízení letounu
není nová. Již od roku 1996 se
používají táhla vyráběná ze sklolaminátu
v letounech LAMBADA,
následně SAMBA, a také v letadle
SEEHAWK. První táhla vyrobená
z uhlíkových vláken jsou již použita
v letounu VL-3. Jde o uhlíkovou
trubku průřezu 28/1,5, navíjenou na
trnu se zalepenými kónickými duralovými
koncovkami. Systém řízení
letounu je tvořen kloubově spojenými
táhly. V současné době nelze
ještě vyrobit spolehlivý efektivní
a cenově dostupný celokompozitní
spoj jednotlivých táhel. Proto kompozitní
táhla sestávají z kompozitní
"trubky" a kovové koncovky.
V rámci projektu podporovaného
Grantovou agenturou ČR je řešen
výzkum nových typů spojů kompozit-
kov. Jedná se jednak o návrhy
a výpočty nových typů ovíjených
spojů s různě tvarovanými koncovkami.
Dále o využití originální
technologie navíjení s orientací
vybraných vrstev vláken s nulovým
úhlem návinu, tj. vláken umísťovaných
do navíjených profilů přesně
v podélném směru. To umožňuje
získání optimálních pevnostních
i tuhostních vlastností. Podélná
vlákna dále umožní vytváření
závěsných oček na koncích navinutých
táhel, hřídelů i např. tlakových
nádob. Tato oka různých průměrů
a tvarů umožní zachycování koncovek,
přírub a dalších potřebných
kovových dílů. Podle provedených
pevnostních a prvních únavových
zkoušek využívá toto řešení plně
pevnostních vlastností kompozitů.
Umožní tak např. zachycení osových
sil v tlakových nádobách bez
použití podélných nosných prvků.
Nejčastější a nejjednodušší spojení
kompozitní trubky a kovové koncovky
je lepení. Výhodou lepeného
spoje je skutečnost, že zatížení se
přenáší relativně velkou plochou,
lepený spoj nevyžaduje otvory
v konstrukci, nezvyšuje hmotnost
konstrukce a má vyhovující únavové
vlastnosti. Technologický postup
lepení však vyžaduje kvalitní úpravu
povrchu lepených částí a tepelné
vytvrzení. Lepený spoj je navíc
ovlivněn podmínkami prostředí,
kterým je vystaven a představuje
nerozebíratelné spojení, což komplikuje
kontrolu a opravy lepených
částí.
Jedním z výstupů řešení kompozitních
táhel na FS ČVUT jsou návrhy
výpočtových postupů a optimalizace
tvaru z hlediska statické a únavové
pevnosti, testování a zavedení do
výroby mechanického spoje kovová
koncovka / kompozitní trubka. Na
Odboru pružnosti byla na toto téma
již úspěšně obhájena doktorská práce.
Pomocí výpočtů MPK, experimentálních
tenzometrických měření
a sledování poruch pomocí akustické
emise byl na základě výsledků
desítek testů ověřen postup návrhu
a optimalizace lepených spojů při
použití nové generace lepidel s vysokou
statickou i únavovou odolností.
Vícekanálový elektrohydraulický
zkušební stroj MTS umožňoval provádění
zkoušek lepených spojů při
zatíženích v tahu i v krutu.
Další cíle projektu kompozitních
táhel jsou zaměřeny na stabilitu
tenkostěnných kompozitních táhel
v závislosti na jejich geometrii,
výrobní technologii a zatížení.
Odbor letadel FS ČVUT se rovněž
podílel na řešení problematiky
oprav leteckých kovových konstrukcí
"kompozitovými záplatami",
které řeší problematiku únavového
poškození primárních částí draku.
VÝVOJ CHYTRÝCH MATERIÁLŮ
A KONSTRUKCÍ
Jedním z trendů, který se uplatňuje
již nejen v letecké kosmické
technice a biomechanice je
konstruování tzv. chytrých konstrukcí.
Jde o konstrukce na bázi
vysoce pokročilých technologií
pro stroje a konstrukce nových
generací s kvalitativně lepšími
užitnými vlastnostmi a funkcemi.
Tyto klíčové komponenty lze
shrnout pod koncepty chytrých
struktur, inteligentních materiálů
a mechatronických komponent.
Jejich podstatným rysem je buď
synergie kombinace technologií
s aktivním řízením, nebo synergie
použití nových fyzikálních
efektů. Tyto komponenty umožňují
překonat existující omezení
dosažitelných vlastností nových
pokročilých návrhových postupů.
Kompozitní materiály umožňují
v tomto směru integrovat do
své struktury systém snímačů
pro získání a sledování informací
o jejich stavu i integraci aktivních
prvků, které jejich vlastnosti
ovlivňují.
V tomto směru se na Odboru
pružnosti a pevnosti FS ČVUT
experimentuje s aplikací optických
vláken s Braggovými senzory
deformace, které umožňují měření
deformací i teploty v daném místě
kompozitní struktury. Optická
vlákna lze rovněž užít při sledování
poškození uvnitř struktury,
aby bylo možno předcházet lomům
a poruchám.
POHONNÁ JEDNOTKA PRO MALÉ
SPORTOVNÍ A BEZPILOTNÍ
LETOUNY NOVÉ GENERACE
Na Odboru letadel FS ČVUT je
vyvíjena nová pohonná jednotka
s ventilátorovým proudovým pohonem
a pístovým spalovacím motorem
vyznačující se vysokou měrnou
výkonností, vysokou bezpečností
a spolehlivostí a malou celkovou
hmotností.
Zadání projektu s ohledem na
minimální hmotnost vyžaduje rozsáhlé
využití kompozitů na konstrukčním
provedení vlastní vzduchové
cesty proudového pohonu,
tj. na vstupním a výstupním kanálu,
chladicím obtokovém kanálu s hnací
tryskou, na rozváděcích i oběžných
lopatkách ventilátoru a hnacím hřídeli
rotoru ventilátoru. Požadované
mechanické vlastnosti splňuje uhlíkový
kompozit. Na výrobu lopatek
je použita technologie fóliových
kompozitů, nebo technologie navíjení
uhlíkových vláken. Vhodnou
kombinací navíjených vrstev s různou
orientací vláken lze navrhovat
dutý hnací hřídel ventilátoru o délce
cca 750 mm a tloušťce stěny menší
než 2 mm tak, aby jeho tuhosti
v ohybu i v krutu co nejlépe vyhovovaly
provozním rozsahům otáček
z hlediska kritických otáček.
Pro pohon byl vybrán vysokootáčkový
motocyklový motor o výkonu
cca 120 kW s elektronicky řízeným
čtyřbodovým vstřikováním paliva,
který byl vhodně konstrukčně upraven.
Celý propulzní systém v současné
etapě vývoje má hmotnost 90 kg
a vykazuje statický tah 1,8 kN. Umožňuje
rychlost letu cca 300 km.h-1 při
propulzní účinnosti větší než 80%.
V porovnání s klasickým pohonem
vrtulí má navrhovaný propulzní systém
řadu výhod. Neovlivňuje negativně
vnější aerodynamiku letounu,
umožňuje vyšší rychlost letu, nižší
hlukové emise. Při vestavění do cvičného
letounu získává tento letoun
vlastnosti blízké proudovému letounu.
V ultralehkém provedení vykazuje
významnou výhodu v relativně
nízkých provozních nákladech.
Odbor letadel na ČVUT v Praze
rozšiřuje svou experimentální
základnu pro tvorbu optimálních
kompozitních konstrukcí.
Úspěšná práce s kompozity
nemůže být založena jen na teoretických
výpočtech. Vyžaduje spolehlivé
a přesné ověření teoreticky
získaných dat týkajících se pevnosti,
spolehlivosti a životnosti konstrukčních
dílů i celých konstrukcí z kompozitů.
V úvahu je třeba brát dále
např. teplotu, agresivitu prostředí
a řadu dalších vlivů, pod jejichž
účinkem bude kompozitní konstrukce
využívána. Jen důkladné experimentální
ověření kompozitní konstrukce
letounu z hlediska pevnosti
a spolehlivosti může vymezit jeho
bezpečné letové vlastnosti v době
stanovené životnosti.
Ve spolupráci s firmou TL Elektronic
Hradec Králové byl vyvinut přístroj
TL-5824 pro měření zbytkové
životnosti letounu. Jednou z funkcí
tohoto přístroje je měření provozního
zatížení. Spolehlivé informace
o zatížení konstrukce letounu za
letu jsou pro konstruktéry klíčové
a vzhledem ke značné variabilitě
pevnostních a životnostních vlastností
kompozitních materiálů (druh
vlákna, pryskyřice, skladba vláken
a vrstev atd.) umožňují tyto informace
optimalizovat složení kompozitních
materiálů. Tím se zvýší nejen
bezpečnost provozu těchto letounů,
ale sníží se i jejich hmotnost. Každý
ušetřený gram hmotnosti letounu má
příznivý vliv na jeho provozní parametry.
To je důvod, proč v posledních
desetiletích prodělávají kompozitní
materiály velice dynamický
rozvoj, který zdaleka nekončí.
O současném novém boomu
v letectví svědčí rychlé a prokazatelné
nasazování kompozitních částí
do konstrukcí všech letounů, které
ovládly světový trh. Tato skutečnost
prokazuje značný technický a ekonomický
význam rozvoje kompozitů.
ING. JIŘÍ ČERNOHORSKÝ, DRSC.