Магчымасць прымянення базальтавага валакна ў канструкцыях малых беспілотных лятальных апаратаў
Агляд уласцівасцей Базальтавы валакно-армаваны палімер (бфрп)
У якасці прыкладу возьмем ліст, атрыманы метадам пултрузійнага фармавання, і яго тыповыя фізічныя параметры наступныя: - Трываласць на расцяжэнне: ≥500 МПа
- Модуль пругкасці: ≥40 ГПа
- Шчыльнасць: 1,8–2,0 г/см³
- Падаўжэнне пры разрыве: 2,5–3,0%
- Устойлівасць да карозііВыдатна (устойлівы да кіслот, шчолачаў і ультрафіялетавага выпраменьвання)
- Каэфіцыент цеплавога пашырэння: падобны да бетону; добрыя нізкатэмпературныя характарыстыкі
Аналіз магчымасці прымянення ў малых канструкцыях БПЛА
- Перавагі
- Патэнцыял зніжэння вагі: шчыльнасць ніжэйшая за шчыльнасць алюмініевага сплаву (2,7 г/см³), што дазваляе знізіць вагу канструкцыі, тым самым паляпшаючы цягавітасць і манеўранасць.
- Удзельная трываласць і ўдзельны модуль пругкасці: удзельная трываласць (трываласць/шчыльнасць): ≈250–280 МПа·см³/г, што пераўзыходзіць алюмініевы сплаў (≈140), але ніжэй за вугляроднае валакно (≈600).
- Удзельны модуль пругкасці (модуль/шчыльнасць): ≈20–22 ГПа·см³/г, параўнальны з алюмініевым сплавам, але толькі ўтрая меншы за вугляроднае валакно.
- Характарыстыкі гашэння вібрацый: больш высокі каэфіцыент гашэння, чым у вугляроднага валакна, што памяншае вібрацыі ў палёце і паляпшае стабільнасць датчыкаў. • Электрамагнітная празрыстасць: не перашкаджае сігналам сувязі, што робіць яго прыдатным для адсекаў радараў або антэн.
- Устойлівасць да ўздзеяння навакольнага асяроддзя: устойлівая да вільготнага, спякоты і карозіі, падыходзіць для БПЛА ў марскім або прамысловым асяроддзі.
- Рэкамендаваныя праграмы
- Канструкцыі сярэдняй і нізкай нагрузкі: шпангоўты фюзеляжа, апоры шасі, рэбры крыла.
- Ненясучыя кампаненты: мацавання антэн, латкі для акумулятараў, корпусы датчыкаў.
- Камплектуючыя для спецыяльных умоў: дэталі сельскагаспадарчых беспілотных лятальных апаратаў, якія падвяргаюцца ўздзеянню пестыцыдных раствораў, корпусы марскіх беспілотных лятальных апаратаў.
Параўнанне кошту і эфектыўнасці з вугляродным валакном (CFRP)
Параўнанне: Базальтавае валакно (BFRP) у параўнанні з вугляродным валакном (CFRP)
| Вымярэнне | Базальт Валакноўзмоцнены палімер (BFRP) | Палімер, узмоцнены вугляродным валакном (CFRP) |
| Кошт матэрыялаў | Талеркі: прыблізна 60–100 юаняў/кг (для ўнутраных патрэб) | Пліты: прыбл. 150–300 юаняў/кг (марка T300) |
| Удзельная трываласць | Сярэдні (≈250) | Высокі (≈600) |
| Удзельны модуль пругкасці | Адносна нізкі (≈20) | Высокі (≈60-100) |
| Ударатрываласць | Сярэдні (больш высокая далікатнасць, чым у вугляпластыку) | Адносна высокая (добрая трываласць) |
| Кошт апрацоўкі | Пліткі, атрыманыя метадам пултрузіі, лёгка апрацоўваць, але складанае фармаванне патрабуе дадатковых працэсаў. | Кошт гарачага прэсавання препрэгаў высокі, але дазваляе праводзіць інтэграванае фармаванне. |
| Трываласць | Добрая ўстойлівасць да стомленасці, выдатная каразійная ўстойлівасць. | Выдатныя характарыстыкі стомленасці, але патрабуе абароны ад гальванічнай карозіі. |
| Зніжэнне вагі | Зніжэнне вагі на 20-30% у параўнанні з алюмініевым сплавам. | Зніжэнне вагі на 40-50% у параўнанні з алюмініевым сплавам. |
Аналіз сцэнарыяў эканамічнай эфектыўнасці
- Недарагія прыярытэтныя беспілотнікі (напрыклад, інспекцыйныя, сельскагаспадарчыя беспілотнікі): – BFRP можа замяніць некаторыя кампаненты з алюмініевых сплаваў, пры гэтым выдаткі на 30–50% ніжэйшыя, чым у CFRP, і маюць найлепшую каразійную ўстойлівасць, што забяспечвае высокую агульную эканамічную эфектыўнасць.
- Прымяненне, якое патрабуе высокай калянасці і лёгкай канструкцыі (напрыклад, гоначныя беспілотнікі, беспілотнікі для аэрафотаздымкі): – вугляпластык прапануе значную перавагу ў модулі пругкасці, памяншаючы аэрадынамічную дэфармацыю; хоць ён і даражэйшы, яго характарыстыкі незаменныя.
- Прымяненне са спецыяльнымі функцыянальнымі патрабаваннямі: калі патрабуецца электрамагнітная празрыстасць або дэмпфіраванне/зніжэнне вібрацыі, BFRP можа служыць дадатковым матэрыялам для пэўных кампанентаў (напрыклад, радарных купалоў).
- Тэхнічныя праблемы і напрамкі аптымізацыі
- Гібрыдная канструкцыя: ламінат BFRP + CFRP: лакальнае ўкладванне вугляроднага валакна ў месцах з высокімі патрабаваннямі да калянасці для балансу кошту і прадукцыйнасці.
- Паляпшэнне працэсаў: распрацоўка препрегаў BFRP або матэрыялаў, узмоцненых валакном, надрукаваных з дапамогай 3D-друку, для паляпшэння здольнасці фармаваць складаныя структуры.
- Тэхналогія злучэння: для павышэння эфектыўнасці злучэння выкарыстоўвайце клеевыя заклёпкі з кампазітных злучэнняў або ультрагукавую зварку.
Зыходзячы з вышэйзгаданага аналізу, BFRP падыходзіць для канструкцый сярэдняй і нізкай нагрузкі ў малых беспілотных лятальных апаратах і прапануе каштоўнасць прымянення з пункту гледжання зніжэння вагі, каразійнай устойлівасці і дэмпфавання/зніжэння вібрацыі; аднак яго варта пазбягаць у галінах, дзе патрабуецца высокая калянасць. Калі калянасць не з'яўляецца крытычным фактарам, але кошт ёсць, BFRP прапануе значна лепшую эканамічную эфектыўнасць, чым CFRP.
Акрамя таго, для аптымізацыі выдаткаў можна разгледзець гібрыдную канструкцыю з BFRP/CFRP.
Аналіз канчатковых элементаў (МКЭ) таксама можа быць выкарыстаны для мадэлявання канкрэтных кампанентаў (напрыклад, планёра), параўноўваючы вагу і кошт BFRP і CFRP пры эквівалентных каэфіцыентах бяспекі для выбару матэрыялу на аснове дадзеных.
