ข่าว

ตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1950 เป็นต้นมาวัสดุคอมโพสิตเสริมใยแก้วมีการนำไปใช้ในชิ้นส่วนที่ไม่รับน้ำหนักของโครงสร้างลำตัวเฮลิคอปเตอร์ เช่น ฝาครอบและช่องตรวจสอบ แม้ว่าการใช้งานจะค่อนข้างจำกัดก็ตาม

ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในด้านวัสดุคอมโพสิตสำหรับเฮลิคอปเตอร์เกิดขึ้นในทศวรรษ 1960 ด้วยการพัฒนาใบพัดเฮลิคอปเตอร์ที่เสริมด้วยใยแก้วคอมโพสิตได้สำเร็จ สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงข้อดีที่โดดเด่นของวัสดุคอมโพสิต ได้แก่ ความแข็งแรงต่อความล้าที่เหนือกว่า การถ่ายโอนแรงแบบหลายทิศทาง คุณลักษณะการแพร่กระจายของรอยแตกที่ช้า และความเรียบง่ายของการขึ้นรูปด้วยการอัด ซึ่งได้รับการนำไปใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่ในงานใบพัดเฮลิคอปเตอร์ จุดอ่อนโดยธรรมชาติของวัสดุคอมโพสิตเสริมใย เช่น ความแข็งแรงเฉือนระหว่างชั้นต่ำและความไวต่อปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม ไม่ได้ส่งผลเสียต่อการออกแบบหรือการใช้งานของใบพัดเฮลิคอปเตอร์

ในขณะที่ใบพัดโลหะโดยทั่วไปมีอายุการใช้งานไม่เกิน 2,000 ชั่วโมง ใบพัดคอมโพสิตสามารถมีอายุการใช้งานเกิน 6,000 ชั่วโมง อาจใช้งานได้ไม่จำกัด และช่วยให้สามารถบำรุงรักษาตามสภาพได้ สิ่งนี้ไม่เพียงแต่เพิ่มความปลอดภัยของเฮลิคอปเตอร์ แต่ยังช่วยลดต้นทุนตลอดอายุการใช้งานของใบพัดได้อย่างมาก ทำให้เกิดประโยชน์ทางเศรษฐกิจอย่างมหาศาล กระบวนการขึ้นรูปและการอบด้วยแรงอัดที่ตรงไปตรงมาและใช้งานง่ายสำหรับวัสดุคอมโพสิต รวมกับความสามารถในการปรับแต่งความแข็งแรง ความแข็ง (รวมถึงคุณลักษณะการลดแรงสั่นสะเทือน) ทำให้สามารถปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพรูปทรงตามหลักอากาศพลศาสตร์ในการออกแบบใบพัดโรเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น รวมถึงการเพิ่มประสิทธิภาพพลศาสตร์โครงสร้างของโรเตอร์ด้วย นับตั้งแต่ทศวรรษ 1970 การวิจัยเกี่ยวกับรูปทรงอากาศแบบใหม่ได้ก่อให้เกิดรูปทรงใบพัดเฮลิคอปเตอร์ประสิทธิภาพสูงหลายแบบ รูปทรงอากาศแบบใหม่เหล่านี้มีการเปลี่ยนจากแบบสมมาตรไปเป็นแบบโค้งมนไม่สมมาตรอย่างสมบูรณ์ ทำให้ได้ค่าสัมประสิทธิ์แรงยกสูงสุดและเลขมัควิกฤตที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านลดลง และค่าสัมประสิทธิ์โมเมนต์เปลี่ยนแปลงน้อยที่สุด การปรับปรุงรูปทรงปลายใบพัดโรเตอร์—จากรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าไปเป็นปลายเรียวแบบกวาด; ปลายใบพัดแบบโค้งลงเป็นรูปพาราโบลา ไปจนถึงปลายใบพัด BERP ที่บางและล้ำสมัย ได้ปรับปรุงการกระจายแรงทางอากาศพลศาสตร์ การรบกวนของกระแสน้ำวน การสั่นสะเทือน และลักษณะเสียงรบกวนอย่างมาก ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพของใบพัดเพิ่มขึ้น

นอกจากนี้ นักออกแบบยังได้นำการเพิ่มประสิทธิภาพแบบบูรณาการสหสาขาวิชาชีพมาใช้กับอากาศพลศาสตร์และพลศาสตร์โครงสร้างของใบพัด โดยผสมผสานการเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุคอมโพสิตเข้ากับการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบใบพัด เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพของใบพัดที่ดีขึ้นและลดการสั่นสะเทือน/เสียงรบกวน ส่งผลให้ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 เฮลิคอปเตอร์ที่พัฒนาขึ้นใหม่เกือบทั้งหมดใช้ใบพัดคอมโพสิต ในขณะที่การดัดแปลงรุ่นเก่าที่มีใบพัดโลหะเป็นใบพัดคอมโพสิตก็ให้ผลลัพธ์ที่มีประสิทธิภาพอย่างน่าทึ่ง

ปัจจัยหลักที่ควรพิจารณาในการนำวัสดุคอมโพสิตมาใช้ในโครงสร้างลำตัวเฮลิคอปเตอร์ ได้แก่: พื้นผิวโค้งที่ซับซ้อนของภายนอกเฮลิคอปเตอร์ ประกอบกับภาระโครงสร้างที่ค่อนข้างต่ำ ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตด้วยวัสดุคอมโพสิตเพื่อเพิ่มความทนทานต่อความเสียหายของโครงสร้างและรับประกันการทำงานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้; ความต้องการลดน้ำหนักในโครงสร้างลำตัวสำหรับเฮลิคอปเตอร์ใช้งานและเฮลิคอปเตอร์โจมตี; และข้อกำหนดสำหรับโครงสร้างดูดซับแรงกระแทกและการออกแบบเพื่อการพรางตัว เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ สถาบันวิจัยเทคโนโลยีประยุกต์ด้านการบินของกองทัพบกสหรัฐฯ ได้จัดตั้งโครงการโครงสร้างลำตัวเครื่องบินคอมโพสิตขั้นสูง (ACAP) ขึ้นในปี 1979 นับตั้งแต่ทศวรรษ 1980 เมื่อเฮลิคอปเตอร์เช่น Sikorsky S-75, Bell D292, Boeing 360 และ MBB BK-117 ของยุโรปที่มีโครงสร้างลำตัวเป็นคอมโพสิตทั้งหมดเริ่มทำการทดสอบบิน จนถึงการบูรณาการปีกและลำตัวคอมโพสิตของ V-280 โดย Bell Helicopter ที่ประสบความสำเร็จในปี 2016 การพัฒนาเฮลิคอปเตอร์ที่มีโครงสร้างลำตัวเป็นคอมโพสิตทั้งหมดได้ก้าวหน้าไปอย่างมาก เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องบินอ้างอิงที่ทำจากโลหะผสมอะลูมิเนียม โครงสร้างเครื่องบินที่ทำจากวัสดุคอมโพสิตให้ประโยชน์อย่างมากในด้านน้ำหนักของโครงสร้างเครื่องบิน ต้นทุนการผลิต ความน่าเชื่อถือ และการบำรุงรักษา ซึ่งตรงตามวัตถุประสงค์ของโครงการ ACAP ดังที่ระบุไว้ในตารางที่ 1-3 ด้วยเหตุนี้ ผู้เชี่ยวชาญจึงยืนยันว่าการเปลี่ยนโครงสร้างเครื่องบินจากอะลูมิเนียมเป็นวัสดุคอมโพสิตมีความสำคัญเทียบเท่ากับการเปลี่ยนผ่านจากโครงสร้างเครื่องบินที่ทำจากไม้และผ้าไปเป็นโครงสร้างโลหะในช่วงทศวรรษ 1940

โดยธรรมชาติแล้ว ปริมาณการใช้วัสดุคอมโพสิตในโครงสร้างลำตัวเครื่องบินนั้นสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับข้อกำหนดการออกแบบเฮลิคอปเตอร์ (ตัวชี้วัดประสิทธิภาพ) ปัจจุบัน วัสดุคอมโพสิตคิดเป็น 30% ถึง 50% ของน้ำหนักโครงสร้างลำตัวเครื่องบินในเฮลิคอปเตอร์โจมตีขนาดกลางและขนาดหนัก ในขณะที่เฮลิคอปเตอร์ขนส่งทางทหาร/พลเรือนใช้ในสัดส่วนที่สูงกว่า โดยสูงถึง 70% ถึง 80% วัสดุคอมโพสิตส่วนใหญ่ใช้ในส่วนประกอบลำตัวเครื่องบิน เช่น หางเสือ ครีบหางแนวตั้ง และครีบหางแนวนอน ซึ่งมีจุดประสงค์สองประการคือ การลดน้ำหนักและความง่ายในการขึ้นรูปพื้นผิวที่ซับซ้อน เช่น ครีบหางแนวตั้งแบบมีท่อ โครงสร้างดูดซับแรงกระแทกยังใช้คอมโพสิตเพื่อลดน้ำหนัก อย่างไรก็ตาม สำหรับเฮลิคอปเตอร์ขนาดเล็กและขนาดเบาที่มีโครงสร้างที่เรียบง่ายกว่า โหลดต่ำกว่า และผนังบาง การใช้คอมโพสิตอาจไม่คุ้มค่าเสมอไป