Cuchillas compuestas
Actualmente, el ejército de los EE. UU. Está ocupado equipando la flota de sus helicópteros con palas de fibra de carbono compuesta (carbono), ya que estos nuevos materiales tienen una vida útil más larga, toleran bien los daños, no tienen problemas de corrosión y tienen una alta confiabilidad.
El helicóptero militar extremo equipado con palas compuestas fue el Boeing AH-64D Apache Block III. En Fort Irvine, California, la Unidad III de Apache se sometió a pruebas y evaluaciones operativas iniciales, demostrando las nuevas tecnologías y sus capacidades.
Uno de los aspectos clave de estas capacidades es aumentar el rendimiento de vuelo y la confiabilidad del rotor principal con aspas de fibra de carbono; sin embargo, según el gerente del programa Apache Block III, el teniente coronel Daniel Bailey, es poco probable que el uso de dichos materiales se detenga solo en las aspas. "Las cuchillas son el primer paso obvio", le dijo al Helicóptero de Defensa.
Elemento estructural
Aunque un componente de vuelo tan importante como las palas puede parecer un punto de partida extraño para la introducción de nuevas tecnologías, es aquí en los últimos años que el ejército de los Estados Unidos ha perfeccionado sus habilidades en materiales compuestos. Bailey señala que estos materiales estarán ampliamente representados en los "helicópteros del mañana" de los militares estadounidenses: "El siguiente paso serán los compuestos en el fuselaje, y ya estamos siguiendo este camino".
El Apache también recibirá un nuevo rotor de cola alrededor del próximo año. Independientemente del proceso del Bloque III, "nuestro programa de rotor de cola compuesto continúa. Este es un programa paralelo del Bloque III", explicó Bailey. "Estamos en la etapa final de calificación, pero aún tenemos que hacer muchas pruebas de vuelo. Probablemente, en un año, los Apaches estarán equipados tal sistema ".
Las nuevas hojas de cola también se instalarán en los modelos actualizados del Bloque II. Esta sustitución de las palas del rotor principal y de la cola tradicional se debe a la obsolescencia de algunas tecnologías. Estas cuchillas, cuyo primer uso data de 1970-mi años, ya no eran completamente metálicas. Los helicópteros AH-64A y D Block I y II utilizan un compuesto de metal y fibra de vidrio para las palas del rotor principal y de cola.
En ingeniería mecánica, se considera que es un material compuesto o estructura que consta de más de un elemento. Las hojas de apache están hechas de aleaciones exóticas en forma de acero inoxidable AM 355. Los ingenieros de Boeing utilizaron una variedad de configuraciones multitubulares AM 355 que se laminaron y se unieron con tubos de fibra de vidrio como un obstáculo para la propagación de grietas, lo que dio a la estructura la resistencia suficiente para cumplir con los requisitos militares de supervivencia. Esta construcción compleja también es cara.
Las cuchillas compuestas actuales de los tornillos principal y de cola presentados en el Bloque III y su programa paralelo consisten en fibra de carbono en una matriz de polímero, que es lo que generalmente se entiende cuando se habla de materiales compuestos.
Diseño mejorado
Las fibras de carbono demuestran mejoras en cómo se hacen y cómo funcionan. "Al cambiar la orientación de las fibras y el número de capas y rellenos, puede llevar las cuchillas compuestas a niveles que estaban fuera del alcance de los metales. De hecho, puede hacer una cuchilla en términos de su giro, su perfil aerodinámico o su función de acorde, optimizando sus características de vuelo" - explicó el ingeniero jefe de los programas de helicópteros de Boeing John Schibler (John Schibler).
En los materiales compuestos de fibra de carbono, las capas de fibra a menudo se ubican alternativamente entre sí en ángulo recto. Al elegir correctamente la dirección de las fibras en estas capas, es posible lograr las características necesarias en direcciones y áreas específicas.
"Las ventajas se encuentran en la resistencia del material y en el hecho de que con la misma resistencia es posible proporcionar hasta un 30% de pérdida de peso (en comparación con los compuestos metálicos). Con el mismo peso, proporciona una rigidez mucho mayor. Pero generalmente estamos hablando de reducción de peso". Daniel Kagnatel (Daniele Cagnatel), vicepresidente de materiales compuestos modernos GKN Aerospace North America. La compañía suministra a la compañía Sikorsky fibras de carbono modernas para las palas del rotor principal del helicóptero Black Hawk.
Además de mejorar la rigidez y la resistencia, Schibler también apunta a los beneficios económicos: "Producimos cuchillas a un precio de compra relativamente bajo, así como con bajos costos de funcionamiento y un mantenimiento más rentable".
Sikorsky fabrica cuchillas para los rotores principal y de cola utilizando largueros de resina de grafito trenzados con fibra de vidrio o fibra de carbono. Alan Walling, director general de cuchillas de material compuesto de Sikorsky, dijo: "Sikorsky puede producir cuchillas de rotor completamente compuestas en solo un tercio del tiempo necesario para producir cuchillas de metal. Hay mucho menos desperdicio químico en la producción de cuchillas de material compuesto. Esto se debe a las cuchillas metálicas requieren grabado en un baño de ácido para garantizar el rendimiento de vuelo necesario de las cuchillas durante mucho tiempo ".
Cuchillas mejoradas
Según Kagnatel: "La elección de las fibras de carbono para las cuchillas es obligatoria. La estructura existente de las cuchillas se ha demostrado en la práctica, donde la fibra de carbono ha mejorado el rendimiento de vuelo en comparación con el metal".
La elección de las palas del rotor de fibra de carbono Apache Unit III comenzó con el Programa de rotor de Apache asequible (AARP). En 2004, Boeing completó las pruebas de las cuchillas bajo el programa AARP, demostrando que las nuevas cuchillas serán más baratas, más fuertes y, en términos de vida útil de fatiga, pueden durar el doble que las cuchillas de metal existentes. Bailey explicó que en 2006, los álabes AARP se extendieron en 15 centímetros para mejorar el rendimiento del vuelo, y en 2008, se probaron en Apache, mientras que la calificación de los álabes para la Unidad III se completó en 2011. .
"Las palas de rotor compuestas para el programa Apache Block III están actualmente en producción. Fabricamos alrededor de 20 al mes y pronto aumentaremos su producción a 40 y a 60", dijo Schibler.
En 2013, el Bloque III será comisionado en el 1er Batallón de Reconocimiento de Asalto del Ejército Americano (1-1 ARB), combate aviación Brigada, Primera División de Infantería con base en Fort Riley, Kansas. En mayo, cinco helicópteros Apache Block III llegaron al primer batallón de reconocimiento de huelga para entrenar a pilotos y servicios de mantenimiento; helicópteros adicionales llegarán en los próximos meses.
El ejército británico vuela en helicópteros Apache del modelo I, pero se pueden actualizar al nivel del Bloque III. La decisión sobre esto se espera en diciembre. Si se toma la decisión de actualizar al nivel del Bloque III, Apache UK también puede recibir palas del rotor del Programa de Rotores Experimentales Británicos del rotor (Programa de Rotores Experimentales Británicos IV, BERPV IV). El programa BERP IV se completó en el año 2007, y las hojas compuestas vuelan sobre el Royal Air Force EH101 Merlin Mk 3.
Probado y probado
Sin embargo, este no es el primer helicóptero militar europeo que utiliza cuchillas de carbono. El antecesor de Eurocopter, Aérospatiale, afirma que este honor recayó en un helicóptero SA 330 Puma que volaba desde 1970. Desde entonces, este tipo es utilizado por muchas fuerzas armadas, incluido el ejército francés y la Marina de los Estados Unidos. Las hojas de cola compuestas también se utilizan en los helicópteros AS532 Cougar, AS565 Panther, NH90 y Tiger.
El Sikorsky UH-60M Black Hawk utiliza palas de rotor de carbono compuesto de 2008. De los helicópteros Sikorsky, solo MH-60R y MH-60S Seahawk tienen palas de rotor de un larguero de metal (titanio).
El teniente coronel Billy Jackson, jefe del programa de adaptación UH-60M Black Hawk, dijo: "Hemos desplegado helicópteros UH-384M en tropas de 60, Sikorsky ha desplegado helicópteros UH-400M alrededor de 60 Algunos de ellos ya han regresado de su segundo despliegue en Afganistán ".
El ejército utiliza palas de rotor compuestas más amplias, también conocidas como palas de cuerda ancha, debido a sus características de peso mejoradas. Los ahorros de peso fueron 204 kilogramos. "Esta fue la razón principal para crear blades compuestos, y no para crearlos simplemente porque son compuestos. Lo principal es su rendimiento en vuelo", explicó Jackson.
"Durante algún tiempo han estado trabajando en el Sikorsky S-92 en una configuración ligeramente diferente, gracias a la cual ya contábamos con una buena cantidad de datos. No hubo mucho riesgo en la decisión de cambiar a cuchillas completamente compuestas", continuó. La firma Sikorsky aplicó largueros totalmente compuestos y placas de las palas del rotor principal en sus helicópteros S-92 al final de los 1990-s.
Las características técnicas de vuelo de los helicópteros UH-60M se probaron en dos despliegues en Afganistán, y Jackson insiste en que mostraron buenos resultados: "Actualmente estamos ocupados recolectando datos sobre la confiabilidad de las cuchillas. Hemos dañado las cuchillas, así como las reparadas y reparadas. Con respecto a la pregunta de si encontramos grietas en las cuchillas o fallas imprevistas debido a nuevas estructuras compuestas, la respuesta es no ". Basado en el éxito actual, el siguiente paso podría ser un estabilizador totalmente rotativo completamente compuesto.
Planes de perdida de peso
Además de explicar a Bailey que las cuchillas fueron el primer paso, y el fuselaje compuesto es el siguiente, Jackson dijo: "Estamos buscando otras aplicaciones de materiales compuestos. Actualmente estamos desarrollando un estabilizador de giro completo completamente compuesto que proporcionará una reducción significativa de peso".
El ejército comenzó a desarrollar la viga de cola compuesta del helicóptero Black Hawk para reducir su peso; sin embargo, en la actualidad, se está haciendo especial hincapié en la creación de un estabilizador totalmente compuesto totalmente rotativo que incluya componentes internos. "Tenemos la intención de hacer un estabilizador de giro completo compuesto para reducir significativamente el peso en el área del helicóptero, que tiene el efecto principal en el centro de gravedad del helicóptero".
Jackson dijo que, como ya se señaló en la propuesta de la firma Sikorsky, la decisión de crear un estabilizador integral completamente compuesto no se debió al deseo de mejorar el rendimiento de su vuelo, sino solo a reducir el costo de su producción.
"Todavía tenemos que hacer algunas pruebas, pruebas balísticas y otros tipos de pruebas de vuelo para asegurarnos de que el nuevo producto sea tan bueno o incluso mejor que el original, y luego tomar una decisión financiera sobre cómo queremos implementarlo en una plataforma existente, implementar Para una producción prometedora o para llenarlos con una lista de piezas de repuesto existentes.
La compañía que suministra la pluma de cola compuesta, pero no las palas del rotor de cola, es BLR Aerospace del estado de Washington. El vicepresidente de Ventas y Mercadotecnia, Dave Marone (Dave Marone) confirmó a Defense Helicopter que su compañía estaba produciendo una viga trasera completamente compuesta para uno de los clientes militares, pero no aceptó proporcionar información adicional.
Planes para el futuro
Otro helicóptero que tendrá que esperar hasta el 2016 del año para obtener las palas de rotor compuesto de fibra de carbono es el Chinook CH-47 del Ejército de EE. UU. "Las nuevas cuchillas compuestas se llaman Advanced Chinook Rotor Blade (ACRB). El programa completó con éxito la etapa de revisión crítica de diseño (CDR) en enero 2012 del año", dijo el gerente de proyectos de reacondicionamiento de CH-47 Chinook Joe Hoecherl ). Las pruebas de vuelo y balística se completaron en el año 2011.
El programa ACRB traerá cambios en la forma de las cuchillas y su rendimiento de vuelo sin afectar su acoplamiento. "Estas cuchillas serán intercambiables en todos los helicópteros Chinook", dijo Hotserl. Se completaron las pruebas a gran escala en el túnel de viento, lo que demostró que las nuevas palas son capaces de proporcionar hasta 900 kg de empuje vertical adicional, lo que permitirá que el helicóptero cuelgue con una carga completa a una altitud de 1200 a una temperatura del aire de 35 ° C.
Palas ACRB en un túnel de viento.
La preproducción de cuchillas está programada para el 2014 del año en abril, las pruebas de vuelo para el tercer trimestre del 2015 del año y la producción en masa para el 2016 del año. En febrero de este año, se anunció que Boeing está desarrollando palas compuestas con una vida útil mayor y que requiere un tiempo significativamente menor para eliminar la incoherencia de las palas del rotor y equilibrarlas. Estas palas también se pueden instalar en el modelo de helicópteros CH-47D, sin embargo, estos helicópteros están programados para ser cancelados por 2019-th año.
Composites intelectuales
Probablemente, para el año 2019, las aspas de fibra de carbono requerirán un enfoque más sofisticado para lograr mejoras adicionales en el rendimiento del vuelo. La industria está de acuerdo en que las cuchillas no consistirán solo de fibra de carbono. Kagnatel cree que los sensores estarán integrados en ellos, capaces de monitorear el estado de las cuchillas y permitirles predecir con mayor precisión su vida útil.
"Las tendencias apuntan cada vez más a los sistemas integrados, a los elementos para calentar el borde frontal de la hoja, así como a los sensores de voltaje y las deformaciones de las hojas. En el futuro, dichos sensores serán una parte integral de las hojas que sus elementos externos", dijo.
Sin embargo, las partes móviles también se pueden montar en las cuchillas. Paul Weaver, director de investigación e ingeniería de la Universidad de Bristol, está trabajando en un proyecto para el gobierno del Reino Unido. El proyecto se llama Intelligent Responsive Composite Structures (IRCS). "La agencia nacional de innovación financió el proyecto, que finalizó hace dos años al cambiar la forma de flaps", dijo a la publicación de DH.
La agencia nacional de innovación es propiedad del gobierno británico, se dedica a la financiación de la investigación, el desarrollo y su comercialización. Como parte del programa IRCS, se encontró que el dispositivo con forma de solapa en el borde posterior de la pala se puede usar para mejorar el rendimiento del vuelo cuando se pasa de una suspensión a un vuelo horizontal.
Sikorsky también se dedica a la investigación en esta área. Desarrolla tecnología de palas de rotor activas en conjunto con el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Hasta la fecha, no está previsto instalar estos dispositivos en blades existentes.
El ejército de EE. UU. No es un pionero en el despliegue de palas de fibra de carbono, pero el hecho de que estén equipando activamente a su flota de helicópteros con palas nuevas confirma que se están implementando activamente nuevos compuestos. Para Bailey, la importancia de la fibra de carbono es obvia: "Estas tecnologías estimularán el desarrollo de futuros helicópteros del ejército, ya sean nuevos Apache, Black Hawk o Chinook".
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