Υπερηχητικά Επιβατικά Αεροσκάφη (Supersonic Transport Aircraft): Τα Κατάλληλα Υλικά για Υψηλές Θερμοκρασίες

Το χαμηλό περιθώριο κέρδους (profit margin) που διαθέτει η πολιτική αεροπορία (civil aviation) και το μικρό μέγεθος της αγοράς (market share) που αναμένεται να έχει η νέα γενιά υπερηχητικών επιβατικών αεροσκαφών (supersonic transport aircraft) επιβάλλουν έξυπνες και οικονομικές λύσεις. Η επιλογή των κατάλληλων υλικών (materials selection) είναι ένα από τα κύρια ζητήματα που απασχολεί τους μηχανικούς οι οποίοι εργάζονται στην ανάπτυξη υπερηχητικών επιβατικών αεροσκαφών. Αυτό απαιτείται για δύο λόγους. Τα αεροσκάφη αυτά θα πρέπει να είναι:

• Ιδιαίτερα αποδοτικά ως προς την κατανάλωση καυσίμου, άρα η δομή του σκάφους θα πρέπει να διαθέτει χαμηλό βάρος.

• Ανθεκτικά απέναντι στις υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται στην επιφάνειά τους κατά τις πολύωρες υπερηχητικές πτήσεις.

Το φαινόμενο αεροδυναμικής θέρμανσης της επικάλυψης (skin) ενός υπερηχητικού αεροσκάφους ήταν γνωστό πολύ πριν ξεκινήσει η ανάπτυξη του Concorde. Πολύτιμη εμπειρία για την επίδραση του θερμικών φορτίων (thermal loads) είχε ήδη αποκτηθεί από τα μαχητικά αεροσκάφη επιδόσεων 2+ Mach. Ωστόσο, τεχνικές και οικονομικά συμφέρουσες λύσεις που θα μπορούσαν να εφαρμοσθούν σε ένα επιβατικό αεροσκάφος δεν υπήρχαν.

Πως ένα αεροσκάφος θα μπορούσε να πετάει στα 2 Mach για πάνω από 2 ώρες χωρίς να επηρεάζεται αρνητικά η δομική του ακεραιότητα (structural integrity);

Το θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας ενός συνηθισμένου επιβατικού αεροσκάφους είναι μεταξύ περίπου -54°C και +70°C, για το Concorde αυτό θα έπρεπε να επεκταθεί έως τους 130°C. Συγκεκριμένα, κατά την πτήση με 2 Mach το αεροσκάφος ανέπτυσσε στην επιφάνειά του θερμοκρασίες μεταξύ 90°C (άτρακτος) και 130°C (ρύγχος) (Εικόνα 1).

Η λύση που δόθηκε ήταν η ανάπτυξη ενός νέου κράματος αλουμινίου (hiduminium-RR58/ AU2GN), το οποίο ήταν οικονομικό να παραχθεί με την τότε διαθέσιμη τεχνολογία όπως επίσης και εφικτό να πιστοποιηθεί εύκολα για ασφαλή χρήση (certified) σε επιβατικά αεροσκάφη. Η λύση αυτή θεωρήθηκε τότε ‘συμβιβαστική’, αφού το αλουμίνιο ήταν οικονομικά συμφέρον να χρησιμοποιηθεί, ωστόσο είχε το μειονέκτημα τόσο του χαμηλού λόγου αντοχής προς βάρους (strength to weight ratio) σε σχέση με άλλα κράματα μετάλλων, όπως το τιτάνιο, όσο και του υψηλού συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας (thermal conductivity). Στην πράξη, το υλικό αυτό σε θερμοκρασίες (λόγω της υψηλής ταχύτητας του αεροσκάφους) προκαλούσε σημαντικού βαθμού διαστολή (και κατά συνέπεια συστολή) στα επηρεαζόμενα τμήματα του αεροσκάφους.

Θα μπορούσε κανείς να ακολουθήσει την ίδια πρακτική και σήμερα;

Όχι, επειδή διαθέτουμε ένα καλύτερο τύπο υλικού σε σχέση με τα κράματα αλουμινίου. Η χρήση των συνθέτων υλικών (composites) σε κύρια και δευτερεύοντα δομικά τμήματα αεροσκαφών έχει επεκταθεί σημαντικά κατά τα τελευταία 20 έτη. Τα νεότερης τεχνολογίας σύνθετα υλικά προσφέρουν υψηλότερο λόγο αντοχής προς βάρους έναντι των μετάλλων, υψηλή δυσκαμψία (stiffness) και επαρκή αντοχή απέναντι σε θερμικά φορτία.

Για παράδειγμα, ένα από τα κύρια υλικά κατασκευής του υπερηχητικού επιβατικού αεροσκάφους που αναπτύσσει η Boom Supersonic είναι το σύνθετο υλικό Toray TC350-1 (toughened epoxy prepreg with fibre reinforcement), το οποίο έχει επαρκή αντοχή σε κόπωση/στατικά φορτία σε θερμοκρασίες άνω των 130°C. Επίσης, το υλικό αυτό διαθέτει χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, με τον κατασκευαστή να επιλύει έτσι το πρόβλημα της διαστολής-συστολής των τμημάτων του αεροσκάφους που υπόκεινται στα υψηλά θερμικά φορτία κατά τις πολύωρες υπερηχητικές πτήσεις. Το υλικό αυτό μάλιστα έχει θερμικό συντελεστή αγωγιμότητας πλησίον αυτού του κράματος τιτανίου. Η συνάφεια αυτή είναι επωφελής για την ομαλή συναρμογή και ‘συνεργασία’ τμημάτων από σύνθετα υλικά και τιτάνιο στο αεροσκάφος της Boom Supersonic (Εικόνα 2).

Η τεχνογνωσία που έχει αναπτυχθεί στον τομέα των αεροναυπηγικών υλικών και η εμπειρία από την πιστοποίησή τους είναι λοιπόν μεταξύ των ‘συμμάχων’ που διαθέτουν οι μηχανικοί για την επίλυση παλαιών προβλημάτων.