Actualmente, los materiales compuestos se han convertido en uno de los cuatro principales sistemas de materiales junto con los materiales metálicos, los materiales poliméricos y los materiales inorgánicos no-metálicos. El nivel de la industria de materiales compuestos de una nación se ha convertido en un indicador clave de su fortaleza científica, tecnológica y económica. Los materiales compuestos avanzados son una fuente de ventaja competitiva para la seguridad nacional y la economía. Se prevé que para 2020, sólo los materiales compuestos tendrán el potencial de lograr una mejora de rendimiento del 20% al 25%.
1. Aplicaciones en estructuras de fuselaje de aeronaves
Se utilizan materiales compuestos avanzados para fabricar estructuras portantes de carga primaria- y estructuras portantes de carga secundaria-, que ofrecen una rigidez y resistencia comparables o superiores a las de las aleaciones de aluminio. Estos materiales ahora se aplican ampliamente en la fabricación de estructuras de fuselaje de aviones y estructuras integradas de pequeños vehículos aéreos no tripulados (UAV). Estados Unidos ha adoptado ampliamente compuestos en aviones de combate y aviones de combate. En la década de 1960, Estados Unidos utilizó por primera vez plásticos reforzados con fibra de carbono-(CFRP) en aviones militares para componentes como puertas de cabina, paneles de acceso, carenados y superficies de control (por ejemplo, alerones y timones) con requisitos de carga bajos o nulos--. A principios de la década de 1980, los compuestos avanzaron hasta convertirse en componentes de cola como estabilizadores verticales y horizontales (estructuras de soporte de carga secundaria), como se ve en aviones como el F-15, F-16, F-18, Mirage 2000 y Mirage 4000. Durante esta fase, el uso de compuestos siguió siendo limitado. A finales de la década de 1980, los cazas de cuarta generación Como el F-22 y el F-35, JSF comenzó a incorporar compuestos en importantes estructuras de soporte de carga, como alas y fuselajes, acelerando la integración de compuestos en aviones militares. El uso de materiales compuestos ha seguido aumentando (Tabla 1-2), y ahora representan entre el 20% y el 50% de la masa estructural de los aviones militares modernos.
La empresa británica ICI utilizó GF/PA (probablemente poliamida{0}}reforzada con fibra de vidrio) para producir válvulas para aviones de combate, lo que garantiza que estas válvulas mantengan el rendimiento y la estabilidad dimensional incluso después de una exposición prolongada al combustible en un amplio rango de temperaturas. Du Pont también empleó materiales como GF, KF/PA y PPS (sulfuro de polifenileno) para fabricar componentes para aviones militares.
Tomando como ejemplo el caza F/A-22 de cuarta{0}}generación, los compuestos representan el 24,2% de sus materiales estructurales. Entre ellos, los compuestos termoestables representan el 23,8%, mientras que los compuestos termoplásticos constituyen aproximadamente el 0,4%. Alrededor del 70% de los compuestos termoestables se basan en resina de bismaleimida (BMI), que se utiliza para producir más de 200 tipos de componentes complejos. Los materiales termoendurecibles restantes consisten principalmente en compuestos a base de resina epoxi-, con un uso adicional de compuestos a base de éster de cianato y resina termoplástica-. Las áreas de aplicación clave incluyen alas, revestimientos de la mitad del fuselaje, marcos y secciones de cola.
Los helicópteros militares también utilizan ampliamente compuestos. Por ejemplo, el avión de rotor basculante V-22 Osprey emplea compuestos en más del 40% de su masa estructural, incluidos el fuselaje, las alas, la cola y los mecanismos de rotación, totalizando más de 3.000 kg de materiales compuestos. El último helicóptero de ataque europeo Eurocopter Tiger presenta materiales compuestos en el 80% de sus componentes estructurales, acercándose a una estructura totalmente compuesta. Por el contrario, los aviones de transporte militar utilizan menos compuestos-C-17 al 8% y C-130J a solo el 2%, aunque el transporte militar Airbus A400M incorpora un ala totalmente compuesta, donde los compuestos representan el 35% de su masa estructural cuando está vacío.
En la aviación civil, los aviones ligeros Star舟 de un solo piloto construidos en los EE. UU.-a principios de la década de 1980 tenían una masa estructural de alrededor de 1.800 kg, con compuestos que superaban los 1.200 kg. La avioneta Voyager de 1986, con más del 90% de su estructura hecha de compuestos de fibra de carbono, estableció un récord mundial para un vuelo alrededor del mundo sin-nueve-días continuos y sin escalas. Hoy en día, la rivalidad entre los gigantes aeroespaciales Boeing y Airbus se ha intensificado, con un enfoque clave en aumentar el uso de materiales compuestos (Figura 1-2).
Para producir el primer fuselaje de avión 787 totalmente compuesto-, Boeing adoptó un método de colocación de fibras similar al utilizado por Raytheon. El proceso creó un componente compuesto del fuselaje que mide 7 metros de largo y 6 metros de ancho. Esta estructura se fabricó utilizando la tecnología de Colocación automática de fibra (AFP) en un enorme mandril giratorio. El mandril fue pre-mecanizado con ranuras que coincidían con la forma y dimensiones de los largueros y largueros del fuselaje. Se colocaron largueros y vigas preformadas (hechas de capas preimpregnadas de fibra de carbono y curadas a presión-) en estas ranuras antes de enrollarlas. Durante la producción, el mandril giraba a lo largo de su eje, lo que permitía que la fibra se enrollara continuamente en el molde para formar la carcasa del fuselaje, dejando las aberturas de las ventanas sin colocar. La carcasa del fuselaje, junto con las vigas y los largueros, se curó en autoclave-para crear una sección de fuselaje compuesta monolítica, que luego se desmoldó como producto final.
La sección compuesta del fuselaje del Boeing 787 no sólo es el componente de fuselaje enrollado con filamento-más grande del mundo, sino que también es reconocido como el recipiente a presión de fibra de carbono más grande jamás producido. La excepcional resistencia a la tracción/aro del material compuesto le permite soportar una mayor presión en la cabina, manteniendo una presión interna equivalente a una altitud de 6000 pies (1830 metros)-en comparación con los típicos 7000 a 9000 pies en aviones convencionales-lo que mejora significativamente la comodidad de los pasajeros. Además, los compuestos resisten la corrosión (una debilidad importante de las estructuras metálicas), lo que permite que la humedad de la cabina se mantenga estable entre un 10 y un 15 % (frente a un 5-10 % en los fuselajes metálicos), lo que mejora aún más el confort.
Bajo la creciente influencia de la tecnología compuesta, Airbus rediseñó completamente el A-350, renombrándolo como A-350 XWB (Extra Wide Body). El avión aumentó su uso de material compuesto del 40% original al 52%. El fuselaje del A-350 XWB es 13 cm más ancho que el del 787, lo que permite una configuración de asientos de 9 en fila en diseños de alta densidad (en comparación con el máximo de 8 en fila del 787). Al igual que el 787, el A-350 XWB mantendrá la presión de la cabina a una altitud equivalente a 6.000 pies.
El 14 de junio de 2013, Airbus realizó con éxito el vuelo inaugural de su nuevo avión A350 XWB de fuselaje ancho-, marcando otro hito en la industria de la aviación mundial después del B-787 "Dreamliner" de Boeing. El A350 XWB y el B-787 utilizan 52% y 50% de materiales compuestos, respectivamente, lo que significa una nueva era en el desarrollo de compuestos aeroespaciales.
El A-380 de 555-asientos, el avión más grande del mundo, logró hazañas innovadoras en la historia de la aviación al utilizar ampliamente plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP). Los materiales compuestos constituyen el 25% de la masa de la aeronave, siendo el 22% CFRP y el 3% laminado de fibra y metal GLARE (un híbrido en capas de compuestos de aluminio y fibra de vidrio), el primer uso de este último en aeronaves civiles. Los componentes de CFRP incluyen: frenos de velocidad, estabilizadores verticales y horizontales (que funcionan como tanques de combustible), elevadores, alerones, spoilers, puertas del tren de aterrizaje, carenados, cajas de aletas de cola verticales, vigas del piso superior de la cabina, mamparos de presión traseros, secciones traseras del fuselaje, estabilizadores horizontales y alerones.
Tras el uso pionero de fibra de carbono en la viga de la quilla y los mamparos de presión traseros compuestos del A-340,-rompiendo las barreras de diseño tradicionales-, el A-380 desafió aún más las normas de ingeniería al adoptar CFRP para su caja central del ala (que conecta las alas al fuselaje). Esta innovación por sí sola redujo el peso en 1,5 toneladas métricas en comparación con las aleaciones de aluminio avanzadas. Los ahorros de peso del CFRP, combinados con la resistencia a la fatiga y la corrosión, mejoraron la eficiencia del combustible en un 13% con respecto a los modelos de la competencia y redujeron las emisiones. El A-380 se convirtió en el primer avión de larga distancia en alcanzar menos de 3 litros de combustible por pasajero cada 100 km, con unos costes operativos entre un 15% y un 20% inferiores a los del avión más eficiente de su época.
El avión de negocios Falcon 7X de Dassault Aviation, capaz de volar a 12.000 metros con una velocidad máxima de Mach 0,8, tiene capacidad para 8 pasajeros y tiene una autonomía de 10.560 km (5.700 millas náuticas). El avión ligero Beechcraft Premier 1 de Raytheon alcanza una velocidad de crucero de 835 km/h con un alcance de 2.759 km-ambos con fuselajes totalmente-compuestos avanzados.
El nuevo avión de transporte japonés, ALELEX, también incorpora importantes compuestos de fibra de carbono.
China también ha utilizado ampliamente materiales compuestos en el diseño y producción de aviones. Por ejemplo, el material compuesto y preimpregnado de fibra de carbono unidireccional de bismaleimida QY8911/HT3 desarrollado y fabricado por el Instituto de Investigación de Tecnología de Fabricación Aeronáutica de Beijing se ha aplicado a componentes como la sección delantera del fuselaje, el estabilizador vertical de la cola, los paneles exteriores del ala, los spoilers y los carenados aerodinámicos de los aviones. El material compuesto y preimpregnado de fibra de carbono unidireccional de resina termoplástica PEEK/AS4C desarrollado por el Instituto de Materiales Aeronáuticos de Beijing exhibe una excepcional tenacidad a la fractura, resistencia al agua, resistencia al envejecimiento, retardo de llama y resistencia a la fatiga. Adecuados para la fabricación de estructuras de aeronaves que soportan carga primaria-, estos materiales pueden funcionar a largo plazo-a 120 grados y se han utilizado en los revestimientos frontales de los paneles de la bahía del tren de aterrizaje de las aeronaves.
El avión militar chino "Flying Leopard", que incorpora importantes componentes compuestos de fibra de carbono, tiene una longitud total de aproximadamente 22,3 metros, una envergadura de 12,7 metros, un peso máximo de despegue de 28,4 toneladas, una capacidad de carga útil externa máxima de 6,5 toneladas, una velocidad máxima de Mach 1,70 y un alcance de ferry de alrededor de 3.600 kilómetros. Con capacidades de combate que superan las de los aviones Jaguar, Tornado y Su-24, el Flying Leopard demuestra características consistentes con los aviones de combate de tercera generación.
2. Aplicación de materiales compuestos en aviones furtivos
En las últimas décadas, se han logrado avances significativos en la investigación de materiales compuestos sigilosos, que están evolucionando hacia características de "delgadez, ligereza, absorción (espectral) de banda ancha y resistencia (resistencia al impacto, resistencia a altas-temperaturas)". Los compuestos reforzados con fibra de carbono-no solo son materiales estructurales livianos y de alta-resistencia, sino que también poseen una funcionalidad sigilosa crítica. Por ejemplo, CF/PEEK o CF/PPS exhiben un excelente rendimiento de absorción de banda ancha, absorbiendo eficazmente las ondas de radar. Estados Unidos fue pionero en el uso de materiales furtivos en aviones, siendo el F-117 y el F-22 los más recubiertos. El revestimiento sigiloso del F-117 era muy complejo e incorporaba hasta “siete materiales diferentes”.
La estructura principal del caza supersónico estadounidense F-22 utiliza plásticos de ingeniería especiales reforzados con fibra de carbono de módulo medio--. De manera similar, las cubiertas del paracaídas de desaceleración del caza Mirage III y los componentes del asiento eyectable están hechos de dichos materiales, que se han aplicado con éxito a piezas absorbentes de radar-como nervaduras, revestimientos, conectores y sujetadores de aviones. La carcasa del misil de crucero Tomahawk, el sustrato del fuselaje del bombardero furtivo B-2 y secciones del avión furtivo F-117A también emplean materiales absorbentes de radar de polímero modificado con fibra de carbono.
En 2000, la Fuerza Aérea de EE. UU. mejoró los materiales sigilosos del F-117, reemplazando el revestimiento original de siete-capas por un solo material. Este cambio estandarizó los procedimientos de mantenimiento y los materiales absorbentes de radar-en todos los F-117, lo que redujo las especificaciones técnicas en aproximadamente un 50 %. Después de la actualización, el tiempo de mantenimiento por hora de vuelo del F-117 se redujo a más de la mitad y los costos de mantenimiento anual para los 52 F-117 se redujeron de 14,5 millones a 6,9 millones. A diferencia del F-117, el F-22 evita los recubrimientos absorbentes de radar en todo el cuerpo, pero aplica “recubrimientos absorbentes de radar de ferrita” a todos los componentes metálicos internos y externos. Este recubrimiento es duradero, resistente al desgaste y más fácil de aplicar en comparación con el sistema del F-117.
Los expertos predicen que para la década de 2030, los compuestos avanzados como los “materiales electrocrómicos poliméricos conductores”, los “materiales semiconductores híbridos”, los “nanocompuestos” y las “tecnologías sigilosas inteligentes” se implementarán prácticamente en los aviones. Estas innovaciones podrían transformar fundamentalmente los sistemas de aviónica y las metodologías de control de aeronaves.
Fuente:Materiales compuestos de aviación y su análisis mecánicopor Haitao Cui y Zhigang Sun (Eds.)