הזינוק, או ההרכבה של הזנב, הוא מרכיב מבני קריטי של מטוס, מתן יציבות, סמכות שליטה וכושר עומסי רכב.זה בדרך כלל כולל את ייצוב האופקי, ייצוב אנכי, משטחי בקרה הקשורים כגון מעליות ומדרגות בסיסיות. במהלך הטיסה, משטחים אלה נמצאים על מסגרת מחזורית מורכבת ומשתנה של עומסי אוויר שנוצרו על ידי זרימת אוויר על פני פרופיל אווירי חשמל טבעיים בדיוק כמו אלה הם רק חומר חשמלי מורכב של חומר תאורה גבוהה.

הבנת התפלגות עומס אוויריונמי על ה- Empennage

הפצת עומס אווירינמי מתייחסת לריאציות בלחץ, הרהר, וכוחות הרגע על פני השטח של הזינוק במהלך כל השלבים של הטיסה.עומסים אלה נובעים ממספר תופעות פיזיות נפרדות.המקור העיקרי הוא המעלית שנוצרת על ידי מעומסים דמויי האוויר, אשר חייב ליצור למטה כוח (על הזנב האופקי) או כוח צד (על הזנב האנכי) לאזן המטוס, בנוסף ללחץ דינמי מפני ייצוב, ולאטום, הוא מייצב, לאטום, לא מפולני, ולא לכפות עליו לחץ מבני, ולאומים, ולאטום, ולא לדחוף את המקרר, אלא גם את המקרר, אלא גם את המקרר, ולאטום, ולאומים, אלא גם את המקרר, ולא לדחוף את המקררים, ולאטום, ולאטום, אלא גם את המקרר, אלא גם את המקרר, אלא גם את המקרר, אלא גם את המקרר, ולאטום, ולאטום, ולאטום, ולאומים, אלא גם את המקררים, ולאטום, אלא את המקרר, ולאטום, אלא את המקרר, ולאטום, ולאטום, ולאו של המקרר, ולאטום, ולאו של המקרר, ולאטום, אלא גם את היישר את המקרר, אלא את המקרר

מהנדסים מניחים את העומסים האלה ברגעים מתבוללים (לטווח), לרסיון (מעודכן על מרכז האירודינמי), ו- Shear לטעון (כוחות טרנסנדאליים) את גודלם וכיוון של עומסים אלה משתנים עם זווית של התקפה, שליטה על פני השטח, מספר מאך, וגובה. לדוגמה, במהלך משיכה חדה, חוויות האופקיות של מעליות (למטה) מציבות את אזורי הלחץ המהירים את פני השטח, או את אזורי הלחץ, באופן מיידי, עם לחץ נמוך יותר, וגובהו.

חיזוי מדויק של חלוקת עומס מושג באמצעות דינמיקת נוזל חישובית (CFD) וניתוח אלמנט סופי (FEA), שאושר על ידי בדיקת מנהרות רוח ונתונים טיסה.מודלים אלה מספקים מפה מפורטת של מסילות לחץ, המאפשר למעצבים לייעל מיקום חומרי.העומס המתקבל מגדיר את הכוח הדרוש, הנוקשות והחיים העייפות לכל רכיב.

כיצד התפלגות מניעה את בחירת החומר

ההפצה של עומס אווירודינמיקה משפיעה ישירות על תכונות החומריות שחשובות ביותר במגבלה: כוח רבילי, כוח דחוס, עמידות דחיסה, קשיחות השבעה, ויחסי נוקשות למשקל.אזורי עומס גבוהים דורשים חומרים שיכולים לעמוד בלחצים גבוהים ללא היכנעה או קריסה, בעוד אזורים בתדר נמוך מאפשרים פתרונות קלים להפחית את ההיקף של עומסי העומס החיוניים - לעתים קרובות לא רק על ריכוזים של מים או לחץ גבוה.

גורם קריטי נוסף הוא נזק לסובלנות.אזורים הנמצאים בעצימות עומס גבוהה דורשים חומרים עם קשיחות רבה שבר גבוהה לעצור את צמיחת הסדקים. Composites כמו פולימרים מאומצים פחמן (CFRP) מציעים עייפות מעולה ותכונות כוח אבל יכול להיות שברירי רגיש כדי להשפיע על הנזק. בניגוד, ⁇ אלומיניום לספק קשיחות קלאסית אבל הם רגישים יותר לcorrosion וסדקים אם לא ניתן להחליף כראוי את ההתפלגות או לרכיבים.

אופטימיזציה במשקל היא תוצאה ישירה נוספת.כל קילוגרם שנשמר במגרש מפחית את שריפת הדלק ומשפר את מטענים המטוסים. על ידי הקצאת חומרים כבדים אך חזקים יותר רק במידת הצורך, וחומרים קלים יותר במקום, המסה המבנית הכוללת מצטמצם.זה מהות "רמת" הלחץ לאורך המבנה, כמו גם עיצוב טבעי נצפה עצמות ציפורים.

אפשרויות לHigh-Stress Empennage Zones

אלומיניום Alloys

סגסוגת אלומיניום גבוהה סטריבית, במיוחד 2xxx (למשל, 2024-T3) ו 7xxx (למשל, 7075-T6), הם מרכיבים מבוססים עבור רכיבים עתירי כי לשאת עומסים גבוהים ודחוסים. ⁇ אלה מציעים איזון טוב של כוח, קשיחות, ועלות. הם משמשים בדרך כלל לעור של חומרים אופקיים וייצוב מטוסים קונבנציונליים כמו 737reatives) כמו נפח חומר מתאים של פחמן, עם תכונות מטוס סילון.

טיטניום Alloys

כאשר העומסים גבוהים במיוחד - כגון טבלאות המצורפות, מקלות מטבוליות, או מכסה ספאר ליד הפתיל - ⁇ טיטניום (למשל, Ti-6Al-4V) נבחרים לעתים קרובות. טיטניום מציע יחס חזק עד משקל עד לכדי נוקשות עד לאלומיניום, עם עמידות קורוזיה מעולה ויכולת גבוהה של זמן.

פחמן-Fiber-Reinforced Polymers (CFRP)

במטוס מתקדם, CFRP שולט במבנים מתח גבוה. Composites יכול להיות סיבים מותאמים על ידי סיבים לשאת עומסים לאורך אוריינטציה ספציפית, מה שהופך אותם אידיאליים עבור שדות הלחץ המורכב ליד שורש וחוד המוביל.לדוגמה, בואינג 787 Dreamliner של עומסים אנכיים וייצוב אופקיים הם כמעט כל CFRP, כולל העור, ספאrs, ו צלעות. זה תוצאות במשקל של עד 20% כדי פגיעה מסוימת.

אפשרויות להורדת-Stress Empennage Zones

פאנלים של אלומיניום קלים ו- Foam Cores

סעיפים של הייצוב שחווים כוחות אווירודינמיקה נמוכים יותר - כגון קצה הדרך, טיפ, ו ירידים לא-הוראהיים - יכולים להשתמש בחומרים קלים יותר. ⁇ מד אלומיניום (למשל, 2024-O או 6061-T6) נפוץ, לעתים קרובות נוצר לתוך לוחות עם אלומיניום או Nomex Honeycomb ליבות. לוחות אלה מספקים מצוינות משקל נמוך מאוד, אידיאלי עבור זרימתם מתון בתיבת ליבות פולימטרים מורכבים (גם).

המונחים:rmoplastic Composites

תרכובות אנדרומסטיק (למשל, PEEK או PEKK מתחזק עם סיבים פחמן) מתעוררים בחלקים נמוכים יותר מתח מתח מתח מתח שבו יצירת מהירה מחזוריות מוערכים.חומרים אלה יש יותרמודולוס נמוך מאשר thermoset CFRP אבל מציעים עמידות השפעה מצוינת ניתן לשחיקה (למשל, באמצעות או induction welding).

המונחים: manufactured

בכמה עיצובים מודרניים, המיוצרים באופן תוספתי (3D מודפס) מתכת או חלקי פולימרים משמשים באזורי מתח נמוכים שבהם יש צורך בצורות מורכבות, כגון ducing brackets או ירידות אווירודינמיות.חלקים אלה יכולים להיות אופטימיזציה למשקל באמצעות מבני lattice, אבל השימוש שלהם מוגבל על ידי תהליכי הסמכה נוכחיים ואת הצורך בנתונים עייפות חזקה.

שיטת עיצוב עבור Load-Adapted Materials

תהליך ההתאמה של חומר לעומס הפצה מתחיל בשלב העיצוב המושגי.מהנדסים משתמשים בשילוב של CFD כדי לחשב התפלגות לחץ ו- FEA כדי לחשב את המתחים הנובעים מכך.העומס הפנימי (שרש, הרגע המתנשא, הטורף) נגזרים מכוחות אווירודינמיקה חיצוניים, ולאחר מכן חלוקת הלחץ על פני חברי המבניים (skins, מברשות, ספארים, צלעות) הוא בעל משקל רב-ידי חישובי, ואז הוא בעל משקל רב-יתר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, לחץ עלות.

אלגוריתמי אופטימיזציה, כולל טופולוגיה ואופטימיזציה אופטימיזציה, מועסקים כדי למזער משקל תוך כדי כוח מספק, קשיחות, ועייפות דרישות. עבור גרף, האופטימיזציה בדרך כלל להציב חומרים עבה יותר גבוה סטריאנט ליד השורש והחוד המוביל, המעבר חומרים קלים כמו הלחץ מופחת לכיוון קצה קצה קצה קצה קצה קצה קצה קצה קצה קצה קצה קצה קצה קצה הדרך והליכה.

היבט קריטי של מתודולוגיה זו הוא נזק ניתוח סובלנות.אזורי עומס גבוה דורשים לעתים קרובות מרווחי בדיקה ובטיחות חיים או עיצוב בטוח-בטוח. עבור חלקים מתכתיים, זה עשוי להיות שימוש בחומרים עם קשיחות רבה יותר (למשל, 2024-T3 מעל 7075-T6) כדי להבטיח צמיחה איטית של סדק.עבור מסובייקטים, הניתוח מתמקד בהשפעה ובדנציה, עם חומרים נבחרים עבור תנאים גבוהים לאחר דחיסה (CA) מספק את הפחתת נתונים אלה.

מחקרים אמיתיים ב- Empennage Materials Selection

בואינג 787 Dreamliner

הזיכיון של 787 הוא הצגה של אופטימיזציה חומרית.הייצבים האופקיים והארכיניים נעשים בעיקר של CFRP, עם טיטניום המשמש עבור התאמות טעון מאוד ובאזורים מסוימים בטמפרטורה גבוהה ליד יחידת הכוח העזר.ההההפצה העומס צו כי אתרי ספאר וכובעים יש סיבים פחמן חד-צדדיים בכיוון של כ-חמצני, בעוד העור משתמש במרקם לשימוש בגמישות ולהפחית את מבנה הגמישות.

Airbus A380

ה-A380 Grapennage משתמשת בגישה היברידית.הייצוב האופקי הוא בעיקר ⁇ אלומיניום, אבל עם עור CFRP על החלקים החיצוניים כדי לחסוך במשקל.הייצב האנכי משתמש בזרע פחמן חזק פלסטיק (CFRP) מבנה הקופסה, שוב עם אלומיניום באזורים נמוכים יותר מתח.חלוק העומס על המטוס הגדול הזה דורש תשומת לב זהה ללחצים; תערובות טיטניום משמשים בנקודות החזקות העיקריות של זה ואופטימיזציה של חומרים שונים.

נמל התעופה: Cirrus SR22

אפילו במטוסי אור, התפלגות עומס משפיעה על אפשרויות החומריות.ה-CSR22 משתמשת במגבלה מורכבת עם סיבים פחמן בעורי ייצוב בלחץ גבוה וספארס, אבל הסולם והמעלית הם לעתים קרובות סיבים קלים יותר זכוכית או מתרכובות קצה.העדר רגעים ממושכים גבוהים בקצה מאפשר בנייה פשוטה וזולה יותר ללא הקרבת בטיחות.

מגמות עתידיות וחומרים תחת התפתחות

מחקר מתמשך נועד לחדד את הקישור בין התפלגות עומס ובחירת חומרים.טכניקות ייצור מתקדמות כגון מיקום סיבים אוטומטיים (AFP) לאפשר כיסוחות מורכבים מאוד כי בדיוק להתאים את שדה הלחץ המקומי, צמצום פסולת ומשקל. ייצור אדקטי צפוי לייצר מבנים ליטימונים מטענים עבור חינני עור מבוזרים לייצר מטבוליים גבוהים או אבקה עתיר.

גבול נוסף הוא השימוש של מלות היברידיות המשלבות שכבות מתכתיות ומורכבות, כגון רבנים סיביים (למשל, GLARE), המציעות עייפות מצוינת ופגיעה בסובלנות לאזורים שורש בלחץ גבוה. מחקר לתוך פולימרים פחמן nanotube-reinforced יכול לדחוף חומרים ספציפיים ונוקשות יותר, המאפשרת הפחתה במשקל אפילו בחלקים המעולים ביותר.

דחיפה לתעופה בת קיימא היא גם החלטות חומריות.ביו-דרטיביות ומגרות תרמופלסטיות ניתנות למחזור מוערכות עבור רכיבים בעלי מתח נמוך יותר, היישרות עם מטרות סביבתיות ללא קידום בטיחות.היכולת לחזות חלוקת העומס המדויקת מסייעת למהנדסים להשתמש בבטחה בחומרים הרומן באזורים שבהם הם מבצעים כראוי.

מסקנה

ההפצה של עומסי אווירודינמיקה על פני הזינוק היא הנהג הבסיסי של בחירה חומרית במרכיב כלי טיס קריטי זה.מחזקות שורש בלחץ גבוה הדורשות טיטניום או ממותקים לטיפים בלחץ נמוך שיכול להשתמש קצף קל משקל או thermoplastics, כל בחירה חומרית היא תגובה ישירה לכוחות המקומיים מנוסים במהלך הטיסה.

לקריאה נוספת, ראה את הספר להנדסה של נאס"א עבור מבנהי Airframe (ראה:0NASA TP-2016-2192838303FLT:1), מחלקת הייעוץ FAA על הערכת Fatigue (מקור:2AC 23-1903FLT 3), ואת סקירה מקיפה של חומרים מורכבים במבנים של פיזור מטוסים שפורסמו בכתב העת ALT:4Composites ALT5:2AC 23-19005FLT5FLT5: