Alimentată de salturi de tehnologie și materiale, industria are misiunea de a ușura încărcătura aeronavelor

În urmă cu câțiva ani, compania aeriană japoneză ANA a cerut pasagerilor să folosească toaleta înainte de a urca în zbor. Logica era că, dacă fiecare pasager ar lua o pauză de confort în avans, sarcina aeronavei ar fi mai ușoară și motoarele ar arde mai puțin combustibil.

aeriene

Procesul a durat doar o lună, dar a evidențiat obsesia greutății industriei aerospațiale. Greutatea este unul dintre cei mai importanți trei factori, după aerodinamică și performanța motorului, care afectează eficiența unei aeronave. Mai puțin combustibil înseamnă emisii mai mici de dioxid de carbon, precum și economii la un cost de operare semnificativ pentru companiile aeriene.

Găsirea de noi modalități de reducere a flotei globale este preocuparea industriei aerospațiale, în timp ce se pregătește pentru următoarea generație de avioane, așteptată să înceapă să zboare înainte de 2030.

În octombrie, guvernele au convenit asupra primului acord mondial privind schimbările climatice la nivel mondial pentru industria aviației, care reprezintă 2% din toate emisiile de CO2. Având în vedere că numărul de pasageri aerieni va crește de la 3,6 miliarde anul trecut la 16 miliarde până în 2050, potrivit Iata, organismul comercial, fiecare aspect al aviației este analizat pentru a reduce emisiile în creștere.

„Dacă scoateți 454 kg din greutatea unui motor care valorează 1% din combustibil. Este o mare economie financiară, dar și bună pentru mediu ”, spune Ric Parker, fost director de cercetare și tehnologie la Rolls-Royce și acum președinte al inițiativei Clean Sky a UE. „Orice puteți face pentru a reduce greutatea este un lucru bun”.

Utilizarea pe scară largă a noilor materiale - inclusiv polimerul întărit cu fibră de carbon - a dus la economii imense de greutate. Materialele compozite au fost introduse în 1985 pe aripa din spate a aeronavelor, cum ar fi Airbus A310 cu corp larg. Astăzi, Boeing și Airbus au început noi drumuri cu cele mai noi modele de caroserie largă, 787 și A350. Aproximativ jumătate din aceste aeronave sunt fabricate din plastic din fibră de carbon și alte materiale compozite. Boeing se laudă că 787 - al cărui cel mai mic model cântărește 161 de tone - oferă o economie de 20% în greutate în comparație cu aeronava echivalentă din aluminiu.

Derulați în jos pentru a vedea imagini unde se pierde greutatea

Și producătorii de motoare găsesc modalități de a ușura turbinele - în medie cântărind 6.350 kg fiecare pentru avioanele mari. Aproximativ 340 kg pot fi tăiați dintr-un motor cu corp larg, folosind materiale compozite pentru palele ventilatorului și carcasa ventilatorului, conform Rolls-Royce. Aluminura de titan, un material și mai nou care înlocuiește aliajele de nichel mai grele, poate face reduceri suplimentare în cele mai fierbinți părți ale unui motor. Este un cerc virtuos, spune dl Parker. „Dacă puneți o lamă care este cu o treime din greutate, puteți avea un disc cu turbină și mai ușor. Și apoi carcasa poate fi mai ușoară și mai subțire. Beneficiul pozitiv este rotund și rotund. ”

Alte materiale avansate, cum ar fi aliajele metalice mai ușoare și grafenul, fac, de asemenea, o diferență. Geoff Hunt, inginer șef la UTC Aerospace Systems, spune că aliajele de titan au redus greutatea trenului de aterizare cu mii de kilograme pe cele mai mari avioane. Pot fi salvate și alte sute cu tehnologia carbonului, noi tehnici de vopsire și modificări ale etanșantului, potrivit PPG, o companie de acoperiri.

„Dacă puteți reduce sarcina, puteți reduce armarea structurii”, spune Robert Lafontan, vicepreședinte senior inginerie la Airbus.

Cu toate acestea, aeronavele de astăzi nu sunt neapărat mai ușoare. Multe dintre kilogramele aruncate în ultimii ani au făcut pur și simplu loc pentru funcții noi sau pentru mai mulți pasageri. Boeing a introdus ferestre mai mari pe 787, care ar fi avut un impact „prohibitiv” asupra greutății fără economii în altă parte, spune Larry Schneider, inginer șef de program pentru 777.

De asemenea, autoritățile de reglementare ridică standardele de siguranță. Cerința de locuri mai sigure acum un deceniu a adăugat aproximativ 5 tone (5.000 kg) la greutatea medie a unei aeronave, de exemplu.

Recaro, furnizorul de scaune din Germania, spune că a scăpat toată greutatea și mai mult cu rame compozite subțiri. Scaunele preînclinate au eliminat necesitatea componentelor mecanice grele care să permită mișcarea.

Consumul de energie este, de asemenea, în creștere, creând o nevoie de cabluri mai grele și mai multă gestionare a căldurii. Avionul comercial mediu mare de pasageri are aproximativ 40% mai multe electronice decât în ​​urmă cu câțiva ani, potrivit TE Connectivity. Până la 60% din greutatea cablurilor - care ar putea ajunge la 5.700 kg pe un superjumbo - ar putea fi tăiată prin trecerea de la cupru la aluminiu.

Noile metode de fabricație precum imprimarea 3D oferă modalități radicale de proiectare a aeronavelor și a componentelor. „Prin imprimarea 3D poți de fapt să-ți faci forța acolo unde ai nevoie. . . și scoateți toate celelalte greutăți ”, spune Bob Smith, director tehnologic la Honeywell Aerospace.

Avioanele cu propulsie electrică, în care se concentrează multă finanțare pentru dezvoltare, au și ele potențialul de a fi mai ușoare și mai eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil.

Russ Dunn, vicepreședinte senior al GKN, furnizorul aerospațial britanic, spune că combinația de noi tehnologii și materiale va revoluționa designul aeronavelor și modul în care călătoresc pasagerii. Până în 2050, acei 16 miliarde de pasageri aerieni se pot bucura de o experiență radical diferită - cu o singură excepție: toaletele pot fi fabricate din materiale mai ușoare, dar ar fi o companie aeriană curajoasă care decide să le elimine cu totul.

Cum jeturile ușurează sarcina

Grafică de Ian Bott

Cockpit Companiile aeriene au înlocuit geanta de zbor de 18 kg (40 lb) a pilotului, care deține manual și hărți, cu tablete electronice mai ușoare. Afișajele LED necesită, de asemenea, ecrane mai subțiri și mai ușoare.

Fuzelaj Boeing’s 787 a început un nou drum cu un fuselaj compozit mai ușor realizat dintr-o singură bucată. Acest lucru a eliminat necesitatea ca mii de elemente de fixare să o țină împreună, contribuind la reducerea greutății aeronavei cu 20%.

Motoare Producătorii de motoare investesc mult în tehnologia de reducere a greutății pentru a compensa motoarele din ce în ce mai mari. Realizarea palelor ventilatorului și carcasa ventilatorului din materiale compozite din fibră de carbon poate reduce 340 kg dintr-un motor, spune Rolls-Royce. Utilizarea compozitelor cu matrice ceramică în cele mai fierbinți părți ale motorului poate elimina și mai mult. General Electric realizează noi câștiguri prin tehnologia 3D. Recent a tipărit o treime dintr-un motor turbopropulsor, care cântărește cu 5% mai puțin decât sistemul tradițional de elice și reduce consumul de combustibil cu 1%. Potențialul este clar pentru motoarele cu reacție.

Skid de coadă Înlocuirea patinei din coadă din aliaj care protejează partea din spate a fuselajului la decolare cu un sistem electronic de avertizare a redus 147kg de la 777-300ER.

Electrificare Sistemele electrice au fost utilizate pe 787 pentru a înlocui unele sisteme grele, controlate mecanic. Cercetările se concentrează acum pe potențialul de propulsie electrică, care într-o zi ar putea duce la mai puține turbine cu gaz care alimentează un avion. Având în vedere starea și greutatea bateriilor, totuși, acesta este încă un drum lung în viitor.

Galere Eliminarea meselor calde pe zborurile selectate a permis unor companii aeriene să îndepărteze cuptoarele, deșeurile compactoare și galere întregi.

Aripi Materialele compozite reduc greutatea aripilor, dar o lovitură de trăsnet ar pătrunde direct fără a include elemente metalice. Pentru a evita adăugarea unei greutăți suplimentare, cercetătorii europeni lucrează la utilizarea conductivității materialelor de nanotuburi de carbon din aripi pentru a proteja împotriva trăsnetelor.

Scaun Cerința pentru caracteristici de siguranță suplimentare a crescut greutatea scaunului mediu economic cu 50% până la 15 kg. Înlocuirea aliajelor de aluminiu cu materiale compozite și un design mai subțire au readus greutatea medie la 10 kg și au permis companiilor aeriene să strângă mai mulți pasageri.

Windows Cabinele sub presiune exercită o presiune uriașă asupra ferestrelor, care necesită rame portante mari pentru protecție. Însă progresele în tehnologia transparenței înseamnă că ferestrele pot acum să preia sarcina structurală, eliminând necesitatea cadrelor și a aproximativ 250 kg-300 kg, potrivit PPG. În cele din urmă, este posibil să nu fie nevoie de ferestre dincolo de cabină, dacă aeronavele sunt căptușite cu afișaje flexibile care descriu o varietate de scene liniștitoare.

Roți Noua tehnologie a cauciucului a aruncat 50 kg din cele 12 anvelope pe un avion cu corp larg Boeing 777-300ER.

Frânele Trecerea de la frânele convenționale la frânele de carbon a redus 907 kg din greutatea celor 16 sisteme de frânare ale 747, conform UTC Aerospace Systems.

Etanșant Progresele chimice au condus la reduceri semnificative ale greutății materialului de etanșare utilizat în cadrul aeronavei. Etanșantul de astăzi este cu 30% mai ușor decât formulele utilizate acum 20 de ani, economisind până la 544 kg pe un avion cu corp larg.

Cablare și cablare Înlocuirea cuprului cu fire de aluminiu ar putea economisi până la 60% din cei 1.200 kg de cabluri pe jetul tipic cu un singur culoar. Dar dacă nanotuburile de carbon se dovedesc a fi conductoare fiabile, reducerea greutății ar putea ajunge până la 70%. Gestionarea disipării căldurii le permite inginerilor să reducă diametrul conductorului, economisind până la 20% din greutate.

Șaibe Boeing a economisit 53 kg eliminând necesitatea a 20.000 de mașini de spălat pe 777-300ER.

A picta Vopsirea și acoperirea exteriorului unui superjumbo precum A380 adaugă între 650 kg și 1.000 kg și mult mai mult dacă este inclusă greutatea acoperirii tuturor componentelor. Tehnici noi, cum ar fi încărcarea electrică a pieselor înainte de scufundarea lor într-o baie de vopsea, ar putea economisi 30-70 la sută din greutatea componentelor de 3 m-4 m.