Trunnion anyagtervezési elemzése

Tartalom

• A Trunnion funkciói
• Megkötések és célok
• Ingyenes változók
• Anyagelemzés
• Az anyagok validálása
• Következtetés
• Hivatkozott munkák

Claire Miller repüléstechnikai diplomát tanul, és jelenleg a MATLAB-nal küzd a disszertációért. Snackeket szívesen fogadunk.

A repülőgép futóműve számos követelményt támaszt. Képesnek kell lennie a leszállásból származó sokk energiájának elnyelésére, lehetővé kell tennie a repülőgép kormányzását, és végül támogatnia kell a repülőgépet, amikor a földön van. A rendelkezésre álló technológiai ismeretek alapján a legtöbb repülőgép visszahúzható futóművel rendelkezik, hogy csökkentse a légi jármű által tapasztalt parazita ellenállást - ez a futómű újabb műszaki leírása.

A futómű-rendszer egy bizonyos része, amelyet ez a jelentés megvizsgál, a futómű. Ez egy rögzített szerkezeti tartó, amely a futómű tartójának felső támasztóhengerének része (vagy ahhoz van rögzítve). Tartós felületeket tartalmaz, amely lehetővé teszi a teljes hajtóműszerelvény forgatását a kormányzáshoz.

Ez a jelentés feltárja a tolattyú célkitűzéseit és funkcióit, és megvizsgálja a komponenshez legmegfelelőbb anyagokat. A jelentés konkrétan az F-35 közös sztrájkharcos kikötői főkerék futóművén használt futóművet veszi figyelembe, mivel a Védelmi Minisztérium 2017 januárjában javításokat ajánlott az F-35C futóműveihez (Mizokami, 2017). Innentől kezdve össze lehet állítani az alkalmazható anyagok és gyártási módszerek esettanulmányát, majd ezt összehasonlítani azzal, amit jelenleg használnak, és amit tudományos cikkek és folyóiratok javasolnak.

A Trunnion funkciói

Dale Crane szerint az Aviation Maintenance Technician könyvsorozat 1. kötetében a tolókarok "egy visszahúzható futómű-tartó támasztójának hengereinek vetületei, amelyekre a rugóstag elfordul" (Crane, 2006). A futás célja a futómű szerkezeti támogatása a repülőgép súlyának viselésében, amikor az nem repül. Ez magában foglalja felszállás, leszállás és gurulás közben, valamint statikus állapotban is, így a futóműnek több különböző igénybevételnek és terhelésnek van kitéve, különböző irányokban, változó mértékben, az adott feladattól és a környezettől függően. nak nek. Környezetenként fontos figyelembe venni a különböző helyzeteket, például a leszálló felület típusát - legyen szó aszfaltról, hóról, fűről stb. a tengerszint feletti magasság; és a pilóta bemenetei, például éles vagy fokozatos kanyarodások és fékezés, durva vagy kíméletes leszállás stb. Jelentősen sokféle változó létezik, amelyek eltérően befolyásolhatják a repülőgép futóművének kitett erőket.

Egy másik fontos dolog, amely figyelembe veszi azokat a feszültségeket és terheléseket, amelyeknek a futómű van kitéve, az a futómű kialakítása. A futóműnek több típusa létezik, a legnépszerűbb most a tricikli - egy orrkerék és két fő kerék - a jó talajkezelési tulajdonságok és a stabilitás miatt. A visszahúzható futóművek a modern kivitelekben is népszerűek. A korai repülőgépek rögzített futóművekkel rendelkeztek, és lassú sebességgel haladtak, ezért a paraziták elhúzódása nem volt a fő szempont a tervezés során. Amikor azonban a sebesség nagy jelentőségűvé vált a repülőgépek számára, bevezették a visszahúzható futóművet, hogy csökkentse ezt a parazita ellenállást, és repüléskor korszerűbb alakot hozzon létre.

Az F-35 visszahúzható háromkerekű futóművel rendelkezik, Oleo lengéscsillapítókkal, amelyek csillapítják a rezgéseket és elnyelik a leszállás hatásait okozó sokkenergiát. A futómű futóművei azonban még mindig némi nyírófeszültségnek vannak kitéve a leszállás és a repülőgép súlya miatt statikus állapotban és gurulás közben. A vezető orrkerék lengőkarja elviselné a kormányzási nyomatékot is, és amikor a futómű visszahúzódik és leereszkedik.

Megkötések és célok

A futómű anyagának képesnek kell lennie arra, hogy élettartama alatt számos különféle húzó- és nyírófeszültségnek és -feszültségnek ellenálljon, ezért nagy rugalmassági és merevségi modulussal rendelkezik. Jelentősen nehéznek kell lennie annak érdekében is, hogy csökkentse a futómű visszahúzásának és leeresztésének folyamatos ciklusából eredő kopás és fáradtság mennyiségét, mivel ez a visszahúzható futómű fő sarkalatos pontja. Ez a kormányzás során is szóba kerül.

Egy másik nagyon fontos korlát a korrózióállóság. A földön a tolóerő ki lesz téve az elemeknek. A korrózió növekedhet, és veszélyeztetheti a repülőgép funkcionalitását és légialkalmasságát, ami drága javításokhoz és az alkatrészek idő előtti cseréjéhez vezethet.

A futóműnek képesnek kell lennie elviselni a felszállás és leszállás által okozott némi sokk energiát is, amelyet a futómű csillapító rendszere esetleg nem tudott elnyelni, és ezért viszonylag keménynek kell lennie. Ez a fő oka annak, hogy a Királyi Haditengerészet F-35C futóművét újratervezni kell. A felszállási és leszállási tesztek során rájöttek, hogy a repülőgép felszálláskor "hirtelen rázós mozdulatot tett", ami "nemcsak kényelmetlen, de a sisakra szerelt kijelző (HMD) és az oxigénmaszk fel-le tolják a pilóta állát" ( Mizokami, 2017).

A tolattyú gyártásához használt anyagnak a lehető legkönnyebbnek kell lennie, anélkül, hogy veszélyeztetné a szakítószilárdságot és a nyírószilárdságot. Mivel az F-35 költségei gyártása során óriási problémát jelentenek, az anyag a lehető legköltséghatékonyabbnak akar lenni. A megmunkálási költségeket tekintve, mivel az alkatrészt valószínűleg CNC-marással állítanák elő, az anyag előnyösen könnyen megmunkálható annak érdekében, hogy csökkentsék az egyes alkatrészek gépen töltött óráit, azonban ez ismét másodlagos lenne a szakítószilárdság és a nyírás szempontjából. az anyag szilárdsági követelményei.

Ingyenes változók

Korlátozottak lennének a változó kialakításához szükséges szabad változók. Az anyag színe szabadon változtatható lenne, mivel az alkatrész később festésre kerül.

Anyagelemzés

Az Ashby-féle anyagdarabok felhasználásával (lásd 1. függelék) összeállítottak egy válogatást az F-35C orr-futómű tolattyújának potenciálisan megfelelő anyagaiból. A legjobb választás a következő:

• Titánötvözetek
• Acélötvözetek
• Szénszállal erősített polimer (CFRP)

A szénszál-erősítésű polimer tartalmaz polimerrel kötött szénszálakat, ami az anyagnak jelentősen nagy szilárdság / tömeg arányt és nagy korrózióállóságot biztosít. A CFRP futóművel történő használatának fő problémája az anyag és a gyártás költsége. A CFRP gyártása még mindig nagyon költséges anyag, és nagy szilárdsága miatt megmunkálásához különlegesen gyártott szerszámokra van szükség. A gyémánt bevonatú volfrámszerszámok a legjobb választás a CFRP (Kennametal) megmunkálásához, azonban a szerszámot néhány alkatrészenként cserélni kell, és a megmunkálás átfutási ideje lényegesen hosszabb lenne, mint más fémeknél.

Az acél- és titánötvözeteket nagyon gyakran használják a repülőgép futóműveihez, mivel nagyon erősek, ellenállnak a nagy igénybevételnek és igénybevételnek, és könnyebben megmunkálhatók, mint a kompozitok. Nem korrozív bevonatra van szükségük, hogy megvédjék őket az elemektől, azonban továbbra is széles körben használják a repülőgép futóműveihez.

Az anyagok validálása

A nyilvánosság számára korlátozott információ áll rendelkezésre az F-35 futóművéhez jelenleg használt pontos anyagok tekintetében. Egyértelmű azonban, hogy legalább egy része kompozit anyagokból készül.

A Fokker Technologies - a GKN Aerospace részlege - szerződést írt alá a Lockheed Martinnal az F-35C futómű alkatrészeinek beszállításáról (Fokker Technologies, 2015). A 2011-ben alapított holland vállalat helikopterek és repülőgépek futóműveire szakosodott, és 2015-ben megkapta az F-35 futóműhöz tartozó húzófékező polimer mátrix kompozit (PMC) tervezésére és fejlesztésére vonatkozó szerződést (Fokker Technologies, 2015 ). Mivel az összetett repülőgép-alkatrészek gyártása még mindig viszonylag új és nagyon megfontolt technológia, érthető, hogy a konkrét információk ilyen szűkösek.

Korábbi vadász- és bombázó repülőgépekben, mint például a Tornado és a Harrier, szilárdságuk és megmunkálhatóságuk miatt különböző minőségű acél- és titánötvözeteket használtak a futóműhöz. Az anyag tulajdonságait ezután hőkezelés és bevonatok segítségével tovább javíthatják, hogy megfeleljenek az alkatrész céljának. Ezeket az alkatrészeket azonban drága előállítani az anyag, a munka, a gépek és a hulladék anyagköltségek szempontjából. Ezen repülőgépek 40+ évvel ezelőtti első gyártása óta számos technológiai előrelépés történt, és a repülőgépipar ma már közelebb áll a kompozitok használatához.

A Fokker nyilatkozatot adott azokról az előnyökről, amelyeket PMC-technológiájuk kínál a hagyományos fémötvözetekhez képest:

• "Megnövekedett repülőgép-teljesítmény akár 30% -os súlycsökkenés miatt
• Megnövelt tartósság és robusztusabb futómű
• A fémkorrózió és repedések megszüntetése "(The Shot Peener, 2011)

Noha ezek lényegesen könnyebbek, mint a fémötvözetek, a kompozitok rendkívül drágák, főként azért, mert elegendő termék létrehozásához forma szükséges. Az öntőforma elkészítése nem mindig egyszerű, és a gyártáshoz gyakran szakember segítségére van szükség, ami jelentősen megnöveli a gyártási időt és a költségeket.

Úgy tűnik azonban, hogy a kompozitokat ma már széles körben használják a repülőgép futóműveiben. Az UTC Aerospace Systems - hivatalosan Goodrich - szintén részt vesz az F-35 futóművének alkatrészeinek szállításában, amelyek kompozit anyagokból is készülnek (UTC Aerospace Systems, © 2017).

Következtetés

Annak vizsgálata, hogy a különféle anyagok mennyire alkalmasak egy szerkezeti alátámasztásra, mint például a tolóoszlop, mind a hagyományos fémötvözetek, mind az innovatívabb kompozitok kis választékát kínálta. Mivel a szárnyakat számos különféle lineáris és szögfeszültségnek és feszültségnek teszik ki, nagy rugalmassági modulussal és merevséggel rendelkező anyagokat vettek figyelembe, miközben a lehető legkisebb sűrűséget tartották fenn. Ennek eredményeként számos fémötvözet, például titán és alumínium, valamint a bonyolultabb kompozitok, például szénszálerősítésű polimer (CFRP) és polimer mátrix kompozitok (PMC) között választott. Mindegyiknek megvannak a maga előnyei és hátrányai: a fémötvözetből készült alkatrészeket könnyebben és olcsóbban lehet előállítani, ugyanakkor a kompozitoknak nagyobb a szilárdság és a tömeg aránya.

Bár a rendelkezésre álló információk mennyisége korlátozott volt, mivel az F-35 jelenleg a katonaságban használt repülőgép volt, a Fokker Technologies megerősítette, hogy PMC alkatrészeket biztosítanak a futóműhöz. A PMC lényegesen nagyobb szilárdság / súly arányú, ami ideális egy többsoros STOVL repülőgéphez. A jövőbeli kutatások feltárhatják a korábbi repülőgép-konstrukciókat és az évek során behúzható futóművekhez használt anyagokat az egyes javasolt anyagok validálásához, és részletesebben megvizsgálhatják a különböző kompozitokat.

Hivatkozott munkák

Crane, D. (2006). 6. fejezet Légijármű futóművei. D. Crane-ben, Repülőgép 1. kötet: Szerkezetek (427. o.). Newcastle: Repülési kellékek és akadémikusok.

Fokker Technologies. (2015. november 19.). A Fokker Technologies az F-35 Landing Gear Composite Drag Brace program folytatását ünnepli. Letöltve a Fokker oldaláról: http://www.fokker.com/Fokker-celebrates-continuation-of-the-F-35-Landing-Gear-Composite-Drag-Brace-Program

Fokker Technologies. (2015). Programok. Letöltve 2017-ben a Fokker Technologies-től: http://www.fokker.com/Landing_Gear_Programs

Kennametal. (nd). Szénszálerősítésű polimer (CFRP) megmunkálása. Letöltve 2017. áprilisban a Kennametaltól: https://www.kennametal.com/hu/industry-solutions/aerospace/machining-cfrp-composites.html

Mizokami, K. (2017, január 6.). A haditengerészet F-35-ös típusának szüksége lehet új futóműre. Letöltve a népszerű mechanikából: http://www.popularmechanics.com/military/aviation/a24633/navy-f35-landing-gear/

A Shot Peener. (2011, ősz). Új futómű. A Shot Peener o. 6.

UTC Aerospace Systems. (© 2017). Programok - Katonai. Letöltve az UTC Aerospace Systems webhelyről: http://utcaerospacesystems.com/cap/programs/Pages/military-aircraft.aspx

Ez a cikk pontos és a szerző legjobb tudása szerint hű. A tartalom csak tájékoztató vagy szórakoztató célokat szolgál, és nem helyettesíti a személyes vagy üzleti tanácsokat üzleti, pénzügyi, jogi vagy technikai kérdésekben.