Il problema composito di Boeing

Boeing dice che è 787 Dreamliner –un aereo passeggeri di medie dimensioni ea basso consumo di carburante attualmente in fase di sviluppo–sarà il primo aereo commerciale in cui i principali elementi strutturali sono realizzati in materiali compositi anziché in leghe di alluminio. Si prevede che le modifiche ridurranno il peso dei componenti del 20 percento, aumentando significativamente l'efficienza del carburante.

Preghiera e un'ala: Un Boeing 787 di pre-produzione è stato presentato l'anno scorso, ma parti della sua scatola alare (sopra), la struttura principale di ogni ala, si sono piegate durante gli stress test. La struttura, realizzata in materiali compositi, misura più di 15 metri per 5 metri e pesa 55.000 libbre, inclusi hardware e strumenti di prova. L'azienda sta irrigidendo questa versione poiché modifica il design delle future scatole alari.

Tali materiali compositi - strati di fibre di carbonio super resistenti e resina epossidica - sono stati a lungo utilizzati nei jet militari, dove il denaro è raramente un oggetto, e nei jet commerciali per parti come i telai dei portapacchi. Ma Boeing sta imparando quanto possano essere difficili i compositi da analizzare in modo efficace e costruire in modo economico per le strutture dei jet commerciali. L'azienda ha dovuto ritardare l'introduzione del 787 perché gli elementi della scatola alare in materiale composito, la struttura principale all'interno di ogni ala, si sono deformati durante gli stress test.

La scatola alare inizia all'incirca a metà dell'aereo e si estende per circa due terzi dell'apertura alare. Questo componente chiave, lungo più di 15 metri e largo 5 metri, è stato progettato e costruito da Boeing insieme a Mitsubishi Heavy Industries e Fuji Heavy Industries , in Giappone. Pat Shanahan , vicepresidente del programma 787, ha dichiarato in una teleconferenza la scorsa settimana che i test strutturali avevano identificato la necessità di irrigidire gli elementi all'interno della scatola dell'ala centrale.

La correzione richiede l'aggiunta di nuove staffe e altre parti alle scatole alari già costruite, nonché la modifica del design delle scatole non ancora costruite. I retrofit delle scatole esistenti si intrometteranno nei percorsi di cablaggio, aggravando i problemi. Quindi Boeing sta posticipando la data di consegna del 787 di circa sei mesi, dal primo al terzo trimestre del 2009.

Il problema con i compositi non è che non sono forti; è che sono così internamente complessi. Sono costituiti da strati orientati in direzioni diverse; questi strati, a loro volta, sono costituiti da singole fibre che possono variare leggermente nella composizione. Ciò rende difficile per gli ingegneri imitare accuratamente le loro prestazioni nei modelli di computer per i test prefabbricati.

I materiali compositi sono più difficili da analizzare rispetto ai semplici metalli omogenei, afferma John Hansman , direttore del Centro internazionale per il trasporto aereo , al MIT. Generalmente non modelli tutte le fibre della struttura, quindi ottieni modelli che hanno delle semplificazioni.

Inoltre, dice, i compositi consentono agli ingegneri di creare forme personalizzate, ma queste forme personalizzate aggravano il già difficile problema di modellazione. Hai molte più opzioni di design, che possono essere sia un punto di forza che un punto debole. Ci sono molte altre cose che posso fare con i materiali compositi – aggiungere forza in punti specifici, toglierla – ma poi hai combinazioni sia della geometria che del particolare lay-up dei materiali compositi che sono uniche.

Gli stress test meccanici di Boeing iniziano con pezzi rappresentativi (noti come coupon), quindi passano a parti progressivamente più grandi della struttura e infine alla struttura completa. Boeing inserisce le parti strutturali in enormi macchine idrauliche che le piegano e le torcono per imitare le sollecitazioni che vanno ben oltre le condizioni peggiori previste nei voli reali. Fu durante tali test che emersero problemi con i longheroni strutturali nella scatola alare.

Shanahan ha affermato nella teleconferenza della scorsa settimana che Boeing ha fatto risalire il problema a un errore nell'analisi dei modelli precedenti, ma non ha spiegato i dettagli. L'abbiamo scoperto. Torneremo indietro e lo correggeremo, ha detto. Shanahan ha aggiunto che Boeing non ha perso la fiducia nelle sue decisioni di utilizzare più ampiamente i compositi; Il 95% di migliaia di test ha prodotto risultati buoni o migliori del previsto. In uno di questi test - della canna della fusoliera in materiale composito - gli ingegneri hanno dovuto interrompere il test per paura di rompere l'attrezzatura di prova, si è vantato.

David Roylance , un esperto di compositi e professore associato in ingegneria dei materiali al MIT, afferma che l'esperienza di Boeing con il 787 mostra che l'industria è ancora in una fase di apprendimento nell'uso più ampio dei compositi negli aerei commerciali. Ci sono un'intera varietà di cose con i compositi che sono ingegnerizzabili, ma sono diversi dai metalli, dice. Quindi ci vuole tempo perché le persone si sentano a proprio agio.

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