État d'application des composites à base de résine renforcée de fibres, y compris l'aramide, dans les hélicoptères

Abstrait

Cet article présente les caractéristiques pertinentes des composites à base de résine renforcée par des fibres ainsi que les types et propriétés des composites à base de résine renforcée par des fibres couramment utilisés dans les hélicoptères. Il décrit les caractéristiques structurelles des hélicoptères, les pièces d'application spécifiques et l'état actuel des composites à base de résine renforcée par des fibres dans les hélicoptères. Les caractéristiques structurelles, la sélection des matériaux et les fonctions de ces pièces d'application dans les hélicoptères sont discutées, et les tendances futures de développement des matériaux composites pour hélicoptères sont également anticipées. La recherche montre que les composites à base de résine renforcée par des fibres ont été largement utilisés dans les hélicoptères en raison de leurs excellentes propriétés matérielles, jouant ainsi un rôle essentiel dans l'avancement de la technologie des hélicoptères.

01 Présentation

Les matériaux composites sont de nouveaux systèmes de matériaux formés en combinant plusieurs matériaux ayant des propriétés physiques et chimiques différentes, tels que des polymères organiques, des non-métaux inorganiques ou des métaux, par le biais de processus composites, atteignant différentes échelles et niveaux structurels (microscopiques, mésoscopiques ou macroscopiques) grâce à des combinaisons spatiales complexes. Les matériaux composites utilisent généralement des résines, des métaux et des céramiques comme matrice et des matériaux de renforcement haute performance tels que des fibres, des tissus et des moustaches comme renforts, fabriqués selon des procédés composites spéciaux. Les matériaux composites peuvent conserver les caractéristiques originales des matériaux constitutifs tout en acquérant de nouvelles propriétés, ce qui revêt une grande importance pour l'amélioration des performances globales des matériaux. Actuellement, les matériaux composites sont devenus l'un des quatre principaux systèmes de matériaux, aux côtés des matériaux métalliques, des matériaux inorganiques non métalliques et des matériaux polymères. Les matériaux composites possèdent de nombreuses caractéristiques telles qu'une résistance spécifique élevée, un module spécifique élevé, une faible densité, un poids léger, des propriétés concevables et des propriétés chimiques stables. Lorsqu'ils sont appliqués aux structures d'hélicoptères, ils peuvent améliorer efficacement les performances des avions, garantir la sécurité des vols et réduire le poids structurel. Avec le développement rapide des matériaux composites, l'application et la quantité de matériaux composites avancés dans les pièces clés des avions sont devenues l'un des indicateurs importants pour mesurer l'avancement des structures d'avion.

02 Matériaux composites à base de résine renforcée de fibres

Les matériaux composites renforcés de fibres sont des matériaux composites préparés par divers procédés de moulage tels que l'enroulement, le moulage ou la pultrusion de fibres de renforcement et de matériaux de matrice. Les fibres, en tant que matériaux de renforcement, constituent le composant principal des matériaux composites renforcés par des fibres. Les fibres utilisées sont de très petite taille, généralement d'un diamètre inférieur à 10 µm, présentent peu de défauts et possèdent une résistance et un module élevés, ce qui en fait les principales parties porteuses du matériau composite. Le matériau de la matrice est souvent un matériau résistant doté de propriétés viscoélastiques et élastoplastiques, capable de résister à des contraintes importantes et servant à lier et à protéger les matériaux fibreux, jouant un rôle crucial dans le maintien de l'intégrité et de la cohérence de la structure composite. Les composites renforcés de fibres ont une résistance spécifique élevée, une rigidité spécifique élevée, de bonnes performances d'amortissement et une bonne résistance à la fatigue, et leurs propriétés peuvent être conçues en fonction des exigences, ce qui en fait le principal choix de matériaux pour les composants composites dans le domaine des hélicoptères.

Les matériaux couramment utilisés dans les hélicoptères sont des composites à base de résine renforcée de fibres, où le renfort est un matériau fibreux haute performance et la matrice est un matériau résine haute performance. Le type, l’orientation et la quantité de fibres de renforcement affectent de manière significative la densité, la résistance et les performances en fatigue du matériau composite. Les matériaux de renforcement en fibres couramment utilisés comprennent la fibre de carbone, la fibre de verre et la fibre d'aramide. Le rôle de la matrice de résine est de lier les matériaux de renfort entre eux, de protéger les fibres des facteurs physiques et chimiques externes, et également d'empêcher la propagation des fissures lors de la rupture des fibres. Le choix du matériau de la matrice de résine détermine la ténacité, la résistance au vieillissement thermique humide et la température de service du matériau composite. Les matrices de résine sont généralement classées en types thermodurcissables et thermoplastiques. Les résines thermodurcissables font principalement référence aux résines époxy, aux résines bismaléimide et aux résines polyimide ; les résines thermoplastiques comprennent l'éthylène, le nylon, le polytétrafluoroéthylène et le polyétheréthercétone (PEEK). Les résines thermodurcissables sont utilisées depuis longtemps, tandis que les résines thermoplastiques ont été introduites plus tard. Cependant, leur développement a été rapide ces dernières années, et leur caractéristique d'être réversible après durcissement améliore grandement la recyclabilité des matériaux composites. Actuellement, des matériaux composites renforcés de fibres thermoplastiques sont utilisés dans de nombreux hélicoptères à l'étranger. Cet article présente plusieurs types de matériaux composites à base de résine renforcée de fibres couramment utilisés actuellement dans les hélicoptères.

2.1 Matériaux composites à base de résine renforcés de fibres de carbone

La fibre de carbone est un matériau fibreux en graphite microcristallin avec une teneur en carbone d'environ 95 %. Il est principalement produit par carbonisation et graphitisation de fibres organiques à des températures élevées de 1 300 ℃ ~ 1 800 ℃ sous protection de gaz inerte. La fibre de carbone possède d'excellentes propriétés telles qu'une résistance élevée, un module élevé, une faible densité, aucun fluage, une résistance aux températures élevées dans des environnements non oxydants, une bonne résistance à la fatigue, une bonne résistance à la corrosion et une bonne conductivité électrique et thermique. Il s’agit actuellement du matériau de renforcement le plus utilisé et le plus important. Parmi eux, les composites à matrice de résine renforcée de fibres de carbone, formés en combinant de la fibre de carbone avec des matériaux en résine, présentent les meilleures performances globales parmi les matériaux structurels existants et sont les plus largement utilisés dans les hélicoptères, les composites à matrice de résine époxy renforcées de fibres de carbone étant un exemple typique. Après des années de vérification, les matrices en résine époxy possèdent de nombreux avantages tels qu'une excellente performance globale, une bonne aptitude au traitement et un faible coût. Pour améliorer encore les performances et la qualité des matériaux composites, des résines bismaléimide et des résines polyimide résistantes aux hautes températures ont été successivement développées. Les composites renforcés de fibres de carbone fabriqués à partir de résines bismaléimide et d'autres matériaux comme matrices sont progressivement appliqués dans les hélicoptères, améliorant leur adaptabilité et leur durabilité dans des environnements difficiles tels que des températures élevées et des températures élevées.

2.2 Composites à matrice de résine renforcée de fibre de verre

La fibre de verre est un matériau inorganique non métallique de haute performance doté d'une résistance et d'une élasticité élevées, ainsi que d'avantages tels qu'une forte résistance à la chaleur, une bonne isolation et une résistance à la corrosion. Les matériaux composites fabriqués avec de la fibre de verre comme matériau de renforcement peuvent améliorer efficacement les performances et la densité du matériau. Les composites à matrice de résine époxy en fibre de verre sont principalement utilisés dans les hélicoptères. Les matériaux composites fabriqués à partir de différents types de fibres de verre ont des propriétés et des applications différentes. Sur la base des exigences d'application pratiques, les composites à matrice de résine renforcée de fibres de verre constitués de tissu de fibres de verre, de ruban de verre et de fibres coupées sont couramment utilisés dans la fabrication de composants d'hélicoptères.

2.3 Composites à matrice de résine renforcée de fibres d'aramide

La fibre aramide est un nouveau type de fibre synthétique haute performance, également connue sous le nom de fibre polyamide aromatique. La fibre aramide possède une excellente résistance aux températures élevées et des propriétés anti-âge. Il est léger mais très résistant, pesant seulement environ 1/5 du poids du fil d'acier, mais avec une résistance 5 à 6 fois supérieure à celle du fil d'acier. La fibre Kevlar produite par DuPont est un exemple typique de fibre aramide. Les performances de résistance et la conception légère fournies par les composites à matrice de résine renforcée de fibres d'aramide améliorent efficacement la réactivité et la létalité de l'hélicoptère.

03 Caractéristiques structurelles de l'hélicoptère

Les hélicoptères possèdent des capacités de vol uniques et des formes structurelles distinctives, ce qui en fait le seul outil de transport actuellement capable d'atteindre n'importe quel terrain. La structure de l'hélicoptère se compose principalement de deux parties : le système rotor et la structure du fuselage. Le système rotor d’hélicoptère se compose de deux parties principales : les pales du rotor et le moyeu du rotor. Les pales du rotor peuvent être divisées en pales du rotor principal et en pales du rotor de queue. Le système de rotor est une structure de composants mobiles unique sur un hélicoptère. La rotation du rotor fournit la portance, la force de contrôle et la poussée vers l'avant, permettant à l'hélicoptère d'effectuer diverses opérations aériennes, notamment le décollage et l'atterrissage verticaux, le vol stationnaire, le vol avant, le vol latéral, le vol demi-tour et le vol à basse altitude. De plus, en cas de panne moteur, le système de rotor peut utiliser son énergie cinétique de rotation existante et la propre énergie potentielle de l'hélicoptère pour faire tourner le rotor en autorotation, garantissant ainsi une descente et un atterrissage plané en toute sécurité.

La structure du fuselage est un élément crucial qui soutient et sécurise les pièces et systèmes de l'hélicoptère, les reliant en un tout unifié. Il est responsable du transport et du transport du personnel, du matériel et des fournitures. La forme de la structure du fuselage a un impact significatif sur les performances de vol, la maniabilité et la stabilité de l'hélicoptère. Les structures du fuselage des hélicoptères doivent donner la priorité à la réduction du poids, et les hélicoptères militaires doivent également prendre en compte des caractéristiques de conception telles que la protection contre les balles, la résistance aux chocs, la furtivité et l'absorption d'énergie. De plus, les hélicoptères volent généralement à des altitudes inférieures à 6 000 m, certains atteignant jusqu'à 15 m, ce qui en fait des avions de basse à moyenne altitude. Leurs principaux environnements de fonctionnement sont des conditions difficiles telles que humide/chaud, sec/froid, tempêtes de sable/pluie et eau de mer. Par conséquent, les cellules d’hélicoptères nécessitent généralement une excellente résistance aux intempéries et à la corrosion pour répondre aux exigences strictes des différentes régions et climats.

04 Application de matériaux composites à base de résine renforcée de fibres dans les hélicoptères

4.1 Pales du rotor

Le développement révolutionnaire des matériaux composites dans les hélicoptères a commencé dans les années 1960 avec le développement réussi de pales de rotor en composites renforcés de fibres de verre pour des hélicoptères tels que le BO-105 de MBB (Messerschmitt-Bolkow-Blohm) en Allemagne de l'Ouest, le SA341 « Gazelle » d'Aerospatiale en France et le Ka-26 de Kamov en Russie. Cela a marqué le début de l’application des pales de rotor composites dans les hélicoptères.

Aujourd'hui, la technologie des hélicoptères a progressé jusqu'aux troisième et quatrième générations, avec des pales de rotor largement conçues et fabriquées à partir de matériaux composites. Par rapport aux pales métalliques utilisées dans les premiers hélicoptères, les pales composites ont une durée de vie nettement plus longue, dépassant généralement 6 000 heures, contrairement à la durée de vie typique de 2 000 heures des pales métalliques. Les lames composites sont plus faciles à réparer, ont des coûts de maintenance inférieurs, des cycles de maintenance plus courts et permettent l'interchangeabilité d'une seule lame. L'application de pales composites a considérablement amélioré l'efficacité opérationnelle et la sécurité des hélicoptères, réduit le coût total de la durée de vie des pales de rotor d'hélicoptère et apporté des avantages économiques considérables.

Les composites à matrice de résine renforcée par des fibres, en raison de leurs excellentes performances et de leur excellente capacité de conception, ont été largement utilisés dans les pales composites d'hélicoptères, représentant environ 70 % de l'utilisation actuelle des pales. Les composants fabriqués à partir de composites à matrice de résine renforcée par des fibres dans les pales composites comprennent principalement les revêtements, les longerons et les produits de remplissage de joints, qui sont tous des composants clés de la pale. Les composites à matrice de résine renforcée par des fibres utilisés dans la fabrication des pales, également appelés préimprégnés, sont fabriqués en pré-imprégnant des matériaux fibreux dans une matrice de résine sous un contrôle strict.



La peau est un composant crucial de portance et de mise en forme de la lame, fournissant une rigidité primaire en torsion et tétanique. Il est principalement composé de préimprégnés de fibres de carbone et de préimprégnés de fibres de verre, et différentes options de superposition de peau permettent la conception et la fabrication de pales composites avec différentes qualités de performances. Les longerons constituent le principal élément porteur de la pale composite, situé au bord d'attaque. Cette zone sert généralement de côté au vent pendant la rotation des pales et subit la plus grande résistance au vent, nécessitant ainsi une résistance et une rigidité structurelles élevées. Les longerons sont principalement constitués d'un matériau composite à base de résine renforcé de fibres de verre à haute résistance, généralement posé le long de l'envergure de la pale. Le mastic de joint est constitué d'un matériau composite à base de résine de fibres coupées, généralement à base de fibres de verre coupées. Situé au pied de la pale, le mastic de joint doit être préformé avant le moulage et l'assemblage de la pale. Le pied de pale se connecte au moyeu et toutes les charges dynamiques et statiques sont transférées au moyeu à travers lui, ce qui en fait la partie la plus complexe de la structure de la pale sous contrainte. En raison des composants nombreux et complexes à la base de la pale, les performances, la forme et le positionnement du mastic de joint affectent directement la qualité de moulage et la résistance de la pale. De plus, les lattes du bord de fuite, qui jouent un rôle crucial dans la régulation de l'oscillation des pales, sont généralement constituées de composites à matrice de résine renforcée de fibres de verre à haute résistance. Actuellement, les pales composites d'hélicoptères nationaux utilisent principalement des composites à matrice de résine renforcée par des fibres durcissant à moyenne température, en utilisant une méthode de moulage par compression à co-durcissement unique. Les lames composites étrangères utilisent des processus de liaison secondaire et de durcissement à haute température pendant la fabrication. Avec le développement rapide de nouveaux matériaux, processus et équipements, les pales composites d’hélicoptères ouvriront des possibilités encore plus grandes à l’avenir.

4.2 Moyeu de lame

Le moyeu de pale est un composant essentiel qui monte les pales du rotor et relie le système de rotor aux systèmes de transmission et de contrôle. Les moyeux de pales traditionnels sont principalement constitués de métal, assemblés à partir de nombreuses pièces de précision, ce qui entraîne une configuration très complexe et des coûts de fabrication et de maintenance élevés. Comment simplifier la conception structurelle, réduire les difficultés de fabrication et parvenir à une réduction du poids structurel tout en garantissant les performances et la qualité du moyeu de pale a toujours été au centre des efforts de recherche. Avec le développement et l'application de matériaux composites, de nouvelles percées et possibilités sont apparues dans la conception et la fabrication de moyeux de rotor de structure simple, de performances stables, sûrs et fiables et hautement efficaces.

Actuellement, la principale recherche sur les applications des matériaux composites dans les structures de moyeux de rotor se concentre sur la réalisation de structures de moyeux de rotor sans roulement en utilisant les propriétés des matériaux composites. Les moyeux de rotor sans roulement éliminent les trois charnières mécaniques des mouvements de battement, de tangage et de lacet, ce qui représente une avancée majeure dans la technologie du rotor et signifie l'orientation du développement de la technologie de conception du rotor. Les structures de moyeu de rotor sans roulement utilisent des poutres et des manchons flexibles pour remplacer les charnières mécaniques dans ces trois directions, la poutre flexible étant l'élément clé. Dans les systèmes de rotor sans roulement, les degrés de liberté pour les mouvements de battement, de tangage et de lacet des pales sont tous fournis par la déformation de la poutre flexible. L'émergence de la poutre flexible peut grandement simplifier la structure du rotor, réduire les composants d'assemblage et réduire les coûts de maintenance. La construction de la poutre flexible est très complexe. Compte tenu de ses conditions de charge rigoureuses et de ses exigences de performance telles que la déformation admissible des matériaux utilisés dans sa fabrication, les composites à matrice de résine renforcée de fibre de verre haute performance sont principalement sélectionnés pour la fabrication de poutres flexibles. La technologie des faisceaux flexibles pour hélicoptères est mature à l'étranger et des rotors sans roulements ont été appliqués avec succès à divers hélicoptères, tels que l'EC-135 et le RAH-66. La recherche et le développement nationaux de technologies de conception et de fabrication de structures à poutres flexibles sont également en cours, et on s'attend à ce que cette nouvelle technologie de rotor soit appliquée avec succès aux hélicoptères nationaux dans un avenir proche.

4.3 Structure de la cellule

Les cellules d'hélicoptères ont de grandes surfaces incurvées, ce qui les rend adaptées à la fabrication à l'aide de composites à matrice de résine renforcée par des fibres. En raison des nombreuses surfaces courbes complexes et à parois minces, un grand nombre de composants, tels que le cockpit, le carénage de pointe et le carénage de la poutre de queue, utilisent des structures sandwich en nid d'abeilles constituées de composites à matrice de résine renforcée par des fibres. Les hélicoptères opèrent dans des environnements extérieurs difficiles, en particulier les hélicoptères militaires, qui sont fréquemment exposés à des températures élevées, à une humidité élevée, à la pluie et aux embruns salés. Compte tenu de l'impact des environnements chauds et humides, le durcissement à haute température garantit un durcissement complet, minimisant l'impact environnemental et réduisant la dégradation des performances. Les principaux composants porteurs de la structure de la cellule sont pour la plupart constitués de composites à matrice de résine renforcée de fibres durcis à haute température, tandis que les composants porteurs secondaires sont souvent constitués de composites durcis à moyenne température. Outre les composites à matrice de résine renforcée de fibres de carbone et de fibres de verre couramment utilisés, les composites à matrice de résine renforcée de fibres d'aramide sont également largement utilisés dans les composants d'hélicoptères, tels que les stabilisateurs horizontaux, les carénages, les carénages de queue et les couvercles d'accès de maintenance. Le compartiment moteur de l'hélicoptère et les zones environnantes, telles que la tuyère d'échappement du moteur, les prises d'air et les carénages du compartiment moteur, sont désormais fabriqués à partir de composites à matrice de résine renforcée de fibre de verre résistant aux hautes températures, remplaçant les alliages de titane traditionnels. L'application de ce type de matériau empêche efficacement la propagation du feu dans des situations dangereuses, garantissant ainsi la sécurité et la fiabilité de l'hélicoptère.

05Conclusion

Les composites à matrice de résine renforcée par des fibres ont été largement utilisés dans les structures d'hélicoptères en raison de leurs excellentes propriétés matérielles, apportant une contribution significative au progrès de la technologie des hélicoptères. Le développement futur de la technologie des hélicoptères nationaux visera une efficacité élevée, une longue durée de vie, une fiabilité élevée et un faible coût, ce qui entraînera des exigences de plus en plus strictes en matière de matériaux et de structures et créera un besoin urgent de matériaux composites hautes performances, de technologies de conception avancées et de processus de fabrication. Avec l'avancement de la recherche et du développement de technologies de matériaux composites structurels de haute performance, représentés par des fibres de carbone à haute résistance et haut module de qualité T1100 et des matrices de résine thermoplastique haute performance, il est possible de parvenir à une réduction de poids structurel et au recyclage des composites à matrice de résine renforcée par des fibres tout en garantissant les performances structurelles des matériaux composites d'hélicoptères. L’application d’une technologie avancée de simulation numérique à la fabrication de structures en matériaux composites peut garantir une qualité améliorée des pièces et réduire considérablement le gaspillage de matériaux et de ressources. L'application généralisée de technologies de moulage automatisé de matériaux composites à faible coût, telles que le placement automatisé des fibres, contribue également à réduire les coûts de fabrication et à améliorer l'efficacité de la production.

En outre, la localisation des matériaux d’application par hélicoptère reste une direction vers laquelle nous continuons de nous efforcer et une tendance de développement future. Tout en améliorant la variété et les performances des matériaux, les matériaux composites nationaux de haute performance doivent s'aligner davantage sur les technologies internationales avancées des matériaux composites. On pense qu'avec les progrès de la recherche et du développement et les efforts conjoints de tous, l'application de composites à matrice de résine renforcée de fibres pour les hélicoptères en Chine ouvrira un nouveau chapitre.