Застосування сучасних композитних матеріалів

Застосування композитів із вуглецевого волокна в авіації низької висоти та аерокосмічній галузі

Композитні матеріали з вуглецевого волокна, відомі своїм винятковим співвідношенням міцності до ваги, стійкістю до корозії та структурною стабільністю, стали ключовим матеріалом, що сприяє інноваціям у секторах авіації низької висоти та аерокосмічної галузі. Їхні унікальні експлуатаційні переваги вирішують основні проблеми, такі як зменшення ваги, підвищення продуктивності та подовження терміну служби ключового обладнання, а також сприяють інтеграції нових технологій і реалізації великих національних проектів. Нижче наведено детальний опис їх застосування в цих двох стратегічних галузях.

1. Авіація низької висоти: дрони та eVTOL як основні платформи застосування

Стрибок у розвитку економіки низької висоти, що охоплює такі сценарії, як авіалогістика, міська авіація та розумні операції в портах, супроводжувався значним зростанням частки застосування композитів із вуглецевого волокна, особливо в безпілотних літальних апаратах (БПЛА) та літаках із електричним вертикальним зльотом і посадкою (eVTOL). Для БПЛА, які широко використовуються у повітряній зйомці, інспектуванні енергетичних мереж та доставці вантажів, корпус і несучі гвинти є критично важливими для їхньої експлуатаційної ефективності. Традиційні металеві матеріали, такі як алюмінієві сплави, попри свою відносну дешевизну, часто не здатні забезпечити оптимального балансу між вагою та міцністю, обмежуючи вантажопідйомність і тривалість польоту БПЛА. Композити із вуглецевого волокна, навпаки, зменшують вагу фюзеляжу БПЛА на 30–50% порівняно з традиційними матеріалами, зберігаючи при цьому однакову або вищу структурну жорсткість. Ця перевага у вигляді зниження ваги безпосередньо призводить до подовження дальністі польоту — зазвичай на 20–30% — та покращення вантажопідйомності, дозволяючи БПЛА перевозити більше сенсорів або вантажів на довші відстані.

Гравці галузі активно досліджують глибшу інтеграцію композитів із вуглецевим волокном з новітніми технологіями. Група Guangdong Port and Shipping, провідне підприємство у сфері морської логістики, стає першопрохідцем сценаріїв «економіки низької висоти», зосереджених на розумних портах та промислових коридорах судноплавства. Компанія сприяє інтеграції композитів із вуглецевим волокном та технологій штучного інтелекту (AI), застосовуючи безпілотні літальні апарати (БПЛА) та електричні вертольоти вертикального зльоту і посадки (eVTOL) на основі композитних матеріалів для огляду вантажів у портах, керування швартуванням суден та патрулювання прибережної смуги. Властивості легкості та стійкості до корозії вуглецевого волокна забезпечують довговічність цих повітряних пристроїв у високовологому морському середовищі, тоді як алгоритми штучного інтелекту оптимізують їхні маршрути польоту та графік виконання завдань — створюючи синергетичний ефект, який у пілотних проектах підвищує ефективність роботи портів понад 15%.

Застосування вуглецевих композитів ще більш вигідне у літальних апаратах eVTOL, які мають революційно змінити міську авіаційну транспортування. Апаратам eVTOL потрібна висока структурна міцність, щоб витримувати складні аеродинамічні сили під час вертикального зльоту та посадки, і водночас необхідні легкі конструкції для оптимізації використання енергії акумуляторів. Конструкційні елементи з вуглецевих композитів — у тому числі крила, кронштейни шасі та каркаси фюзеляжу — не лише відповідають суворим вимогам міцності, а й зменшують загальну вагу літака на 40% або більше. Це зменшення ваги значно підвищує енергоефективність, збільшує дальність польоту eVTOL і скорочує частоту підзарядки, що є ключовим проривом для їхньої комерціалізації.

У галузі авіації, де вимоги до продуктивності та надійності є надзвичайно жорсткими, композити з вуглепластику стали переважним матеріалом для ключових компонентів. У виробництві цивільних і військових літаків композити з вуглепластику широко використовуються у крилах, передніх частинах фюзеляжу та хвостових секціях. Порівняно з традиційними конструкціями з алюмінієвих сплавів, крила з композитів на основі вуглепластику зменшують вагу приблизно на 25%, знижуючи витрати палива на 10–15% — це важлива перевага для зменшення експлуатаційних витрат авіакомпаній та викидів вуглецю. Крім того, композити з вуглепластику мають чудову втомну міцність і можуть витримувати десятки тисяч циклів зльоту та посадки без погіршення характеристик, що продовжує термін служби літака на 20% або більше.

2. Аерокосмічна галузь: забезпечення високопродуктивного обладнання та великих проектів

Композити з вуглепластику також відіграють важливу роль у ключових китайських науково-технічних проектах, пов’язаних із глибоководними та аерокосмічними технологіями. У рамках «Плану Міньюань» та інших ініціатив у галузі глибоководних технологій, спрямованих на розробку високотехнологічного морського обладнання та технологій освоєння морських ресурсів, композити з вуглепластику використовуються для виготовлення якірних ланцюгів плавучих вітроустановок та компонентів обладнання для дослідження глибоководдя. Якірні ланцюги плавучих вітрових електростанцій, які мають протистояти сильним океанським течіям, корозії та великим навантаженням, отримали переваги завдяки високій міцності на розтягнення та стійкості до корозії композитів з вуглепластику — це покращує стабільність та термін служби плавучих вітрових платформ. Це застосування не лише підтримує стратегію Китаю щодо освоєння глибоководних районів, але й сприяє локалізації та індустріалізації високоефективних композитів з вуглепластику.

У сфері аерокосмічної промисловості спостерігається зростаючий попит на композити з вуглецевого волокна для виготовлення супутників, зокрема для конструкцій опори антен супутників. Ці конструкції мають забезпечувати надвисоку точність, легкість і стійкість до екстремальних умов космосу (таких як перепади температур і радіація). Композити з вуглецевого волокна не лише відповідають цим вимогам, а й забезпечують стабільну передачу сигналу за рахунок мінімізації деформації конструкції. За даними ринку, попит на композити з вуглецевого волокна для опорних конструкцій антен супутників та пов’язаних аерокосмічних компонентів зріс більш ніж на 50% за останні роки завдяки прискореному розгортанню сузір’їв супутників на низькій навколоземній орбіті.

Отже, композити з вуглецевого волокна стали незамінним матеріалом в секторах низьковисотної економіки та аерокосмічної галузі, сприяючи технологічному прогресу та модернізації промисловості. З розвитком технологій обробки матеріалів і розширенням сфер застосування їх стратегічне значення в цих галузях продовжуватиме зростати.