Basaltkiu rakendamise teostatavus väikestele mehitamata õhusõidukite konstruktsioonidele
Ülevaade omadustest Basaltkiuga tugevdatud polümeer (bfrp)
Näiteks 5 mm paksuse pultrudeeritud lehtmetalli tüüpilised füüsikalised parameetrid on järgmised: - Tõmbetugevus: ≥500 MPa
- Elastsusmoodul: ≥40 GPa
- Tihedus: 1,8–2,0 g/cm³
- Katkevenivus: 2,5–3,0%
- KorrosioonikindlusSuurepärane (vastupidav hapetele, leelistele ja UV-kiirgusele)
- Soojuspaisumistegur: sarnane betooniga; hea madalatemperatuuriline jõudlus
Väikeste mehitamata õhusõidukite konstruktsioonide rakendamise teostatavusanalüüs
- Eelised
- Kaalu vähendamise potentsiaal: kuna selle tihedus on madalam kui alumiiniumisulamil (2,7 g/cm³), võimaldab see vähendada konstruktsiooni kaalu, parandades seeläbi lennu vastupidavust ja manööverdusvõimet.
- Eritugevus ja erimoodul: Eritugevus (tugevus/tihedus): ≈250–280 MPa·cm³/g, parem kui alumiiniumisulamil (≈140), kuid madalam kui süsinikkiul (≈600).
- Erimoodul (moodul/tihedus): ≈20–22 GPa·cm³/g, võrreldav alumiiniumisulamiga, kuid ainult kolmandik süsinikkiu omast.
- Vibratsiooni summutavad omadused: Kõrgem summutustegur kui süsinikkiul, mis vähendab lennuvibratsiooni ja parandab anduri stabiilsust. • Elektromagnetiline läbipaistvus: Ei häiri sidesignaale, mistõttu sobib see radari- või antennikambritesse.
- Keskkonnakindlus: vastupidav niiskele kuumusele ja korrosioonile, sobib mehitamata õhusõidukitele mere- või tööstuskeskkonnas.
- Soovitatavad rakendused
- Keskmise kuni väikese koormusega konstruktsioonid: kere raamid, teliku toed, tiibaribid.
- Mittekandvad komponendid: antennikinnitused, akualused, andurite korpused.
- Spetsiaalsete keskkondade komponendid: pestitsiidilahustega kokkupuutuvad osad põllumajanduslikel mehitamata õhusõidukitel, merenduslike mehitamata õhusõidukite kered.
Kulude ja jõudluse võrdlus süsinikkiuga (CFRP)
Võrdlus: Basaltkiud (BFRP) vs. süsinikkiud (CFRP)
| Mõõtme | Basalt Kiudtugevdatud polümeer (BFRP) | Süsinikkiuga tugevdatud polümeer (CFRP) |
| Materjalikulu | Taldrikud: u. 60–100 RMB/kg (kodumaine) | Plaadid: u. 150–300 RMB/kg (T300 klass) |
| Spetsiifiline tugevus | Keskmine (≈250) | Kõrge (≈600) |
| Spetsiifiline moodul | Suhteliselt madal (≈20) | Kõrge (≈60–100) |
| Löögikindlus | Keskmine (suurem rabedus kui süsinikkiust tugevdatud plastikul) | Suhteliselt kõrge (hea sitkus) |
| Töötlemiskulud | Pultrudeeritud plaate on lihtne töödelda, kuid keerukas vormimine nõuab täiendavaid protsesse. | Prepreg-kuumpressimise hind on kõrge, kuid see võimaldab integreeritud vormimist. |
| Vastupidavus | Hea väsimuskindlus, suurepärane korrosioonikindlus. | Suurepärane väsimuskindlus, kuid vajab kaitset galvaanilise korrosiooni eest. |
| Kaalulangus | 20–30% väiksem kaal võrreldes alumiiniumsulamiga. | 40–50% kaalulangus võrreldes alumiiniumsulamiga. |
Kulutõhususe stsenaariumianalüüs
- Madala hinnaga prioriteetsed droonid (nt inspekteerimis-, põllumajandusdroonid): – BFRP suudab asendada mõningaid alumiiniumisulamist komponente, kusjuures kulud on 30–50% madalamad kui CFRP-l ja neil on parem korrosioonikindlus, pakkudes üldist kulutõhusust.
- Rakendused, mis nõuavad suurt jäikust ja kerget disaini (nt võidusõidudroonid, aerofotograafia droonid): – süsinikplastist plastik pakub märkimisväärset eelist elastsusmooduli osas, vähendades aerodünaamilist deformatsiooni; kuigi see on kallim, on selle omadused asendamatud.
- Spetsiifiliste funktsionaalsete nõuetega rakendused: kui on vaja elektromagnetilist läbipaistvust või summutust/vibratsiooni vähendamist, saab BFRP-d kasutada lisamaterjalina konkreetsete komponentide (nt radarikuplite) jaoks.
- Tehnilised väljakutsed ja optimeerimissuunad
- Hübriidstruktuuri disain: BFRP + CFRP laminaadid: Süsinikkiud paigutatakse lokaalselt kõrge jäikusnõuetega piirkondadesse, et tasakaalustada kulusid ja jõudlust.
- Protsessi täiustused: töötada välja BFRP-prepregmaterjalid või 3D-prinditud kiudtugevdatud materjalid, et parandada keerukate struktuuride moodustamise võimet.
- Ühendustehnoloogia: Ühenduste efektiivsuse parandamiseks kasutage liimidega neetidega komposiitühendusi või ultrahelikeevitust.
Eeltoodud analüüsi põhjal sobib BFRP väikeste mehitamata õhusõidukite keskmise kuni väikese koormusega konstruktsioonide jaoks ning pakub rakendusväärtust kaalu vähendamise, korrosioonikindluse ja summutuse/vibratsiooni vähendamise osas; seda tuleks aga vältida piirkondades, mis nõuavad suurt jäikust. Kui jäikus ei ole kriitilise tähtsusega tegur, kuid hind on, pakub BFRP oluliselt paremat kulutõhusust kui CFRP.
Lisaks võib kulude optimeerimiseks kaaluda BFRP/CFRP hübriiddisaini.
Lõplike elementide analüüsi (FEA) saab kasutada ka konkreetsete komponentide (näiteks kere) simuleerimiseks, võrreldes BFRP ja CFRP kaalu ja maksumust samaväärsete ohutustegurite korral, et suunata materjalide valikut andmete põhjal.
