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一文了解碳纤维复合材料在城市空中交通中的潜在应用

更新于:2020-06-17   来源:蓝鲸腾飞   点击:152次

城市空中交通(Urban Air Mobility,UAM)有望成为下一重大的交通创新。与今天的出租车或共享单车类似,UAM可提供空中交通,消除街道上的拥堵,并为城市中心旅行提供一种方便快捷的方法。但材料将会是UAM的核心,因为它可以提供高效、可靠和具有成本竞争力的运输工具。材料一直是当今飞机效率的关键驱动力,对于新兴的UAM市场来说,材料将更加重要。

UAM重点是电动飞机,以提供清洁、绿色和高效的运行,而轻质材料是关键。减轻结构的重量会增加载货量或载客量,增加车辆的行驶里程,降低运行所需的能量,从而改善UAM的整体碳足迹。复合材料损坏时也可以修复,需要时可以回收利用。制造过程中产生的废料可以重新利用,报废结构可以回收再利用。与传统制造方法相比,增材制造技术还可以减少车辆的重量,使复杂的结构产生的废物少,能源少。

轻便的

减轻UAM的重量是减少系统碳足迹的佳方法之一。航空旅行的一个好的经验法则是每公斤重量每小时运营费用0.01美元(1%)。如果飞机每年飞行2000小时,减少1公斤的重量可以减少3公斤以上的二氧化碳排放。较低的能源消耗也会导致较低的运营成本、更多的货物容量以及较低的推进和提升系统成本。碳纤维复合材料重量轻、强度高,已成为航空航天系统的首选材料。增材制造技术可以通过巩固零件、使用只在需要的地方放置材料的有效设计以及使用填充碳纤维的热塑性塑料来提高刚度来进一步减轻重量。

可修复

复合材料结构损坏时可以修复。游船和游艇一般都是用复合材料建造的,几十年来,为了使这些系统保持在低限度的浪费,人们一直在进行修补。修复工具包可以与系统一起进行,以便可以在任何时候和任何地方对UAM损坏进行维修。

可回收

当部分损坏无法修复或关键部分无法修复时,复合材料是可回收的。碳纤维可以从固化的复合材料中回收再用于其他产品。热塑性复合材料通常可以通过加热和改造材料来重复使用。树脂系统可以被热解回收碳纤维,热解过程可以产生燃料,这些燃料可以用来帮助热解过程。

安全舒适

碳纤维复合材料作为一种安全可靠的材料,已在航空航天工业中应用多年。事实上,碳纤维复合材料比金属机身需要更少的维护、不腐蚀,并且更耐振动疲劳。UAM声学性能也是一个非常重要的考虑因素,无论是对乘客的舒适性,还是对其将要运行的城市环境。与蜂窝芯材料相结合的复合材料可以被定制来抑制来自发动机和旋转设备的大部分噪音。复合材料还可以调谐为电磁频率传输和吸收,这将成为通信和传感器系统(将成为这些系统的一部分)的重要需求。

航空航天认证

碳纤维复合材料和蜂窝芯系统在航空航天飞行器中的应用已有50多年的历史,并得到了广泛的认可。新一代商用飞机是用50%重量的碳纤维复合材料制造的。碳纤维复合材料因其优良的刚度和强度以及低重量而被选中,因此它们是UAM的理想选择,在UAM中,强度、刚度和重量都是非常重要的。在航空航天领域使用复合材料的丰富经验可用于新兴的UAM市场。

无噪音

几十年来,复合材料和蜂窝芯系统被用来抑制喷气发动机的噪音。新型蜂窝芯系统进一步降低了航空系统的噪声,可用于抑制电力驱动和转子系统的噪声。复合材料刚度可以在整个结构中进行修改和控制,以抑制振动,提供更平稳和更安静的乘坐。如果这些系统要在城市环境中广泛运行,一个安静的UAM系统将是关键。

电磁屏蔽

天线和通信系统对UAM系统的安全高效运行至关重要。天线罩是用来保护天线的,它们是由复合材料制成的,通过电磁透明提供对环境的保护。随着UAM所需的传感器和通信系统的日益增多,大量的电磁信号将进入空域。复合天线罩可以调谐到选择性频率,这将允许UAM通信系统仅针对其需要的频率,并过滤掉不需要的电磁信号。

负担得起

随着UAM市场的发展,生产的车辆数量将超过目前飞机和旋翼机的数量,并将开始接近汽车生产。汽车生产方法需要非常高的资本和工具成本,并且只对大批量生产平台有经济意义。复合材料所需的资本设备和工具更少,这意味着它们可以用于小批量生产,然后可以随着更多的自动化而扩大规模。机械化叠层和组装,灌注和压缩成型以及增材制造等制造技术为该过程带来了更多的自动化。材料的更快固化和加工提供更高的生产率,同时仍然保持质量和性能。复合材料的可扩展性使其成为合适的材料,适合于更大批量的生产。

可扩展制造

随着UAM行业的发展和壮大,它将需要可扩展的制造流程,而这些流程无法随着市场而高效增长。复合材料结构的小批量生产可以用少的资金投入来进行。复合材料结构可以用简单、低成本的工具手工铺设,也可以用简单的烘箱固化。

自动化

随着产量的增加,复合材料制造可以自动化。对于当今大多数航空制造业来说,使用机器人系统将材料放置在工具上,材料的组装、检验和后处理基本上可以自动化。这使得每个零件的成本随着生产量的增加而降低。如果可以用干纤维预制件制造大型集成结构,然后在一次操作中进行灌注和固化,则可以使用灌注和压缩成型。增材制造技术是一种完全自动化的技术,可以创造独特和高效的结构。

分布式制造

随着市场的发展,复合材料有能力扩大制造规模,也有利于分散制造,在这种制造方式下,车辆可以小批量生产,但离车辆使用地点更近。由于不需要高昂的资本设备成本,企业可以创建一系列微型工厂,使它们能够降低风险,使工厂更接近市场需求,并创建灵活、负担得起的敏捷生产系统。


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