211service.com
Boeings kompositproblem
Boeing säger att det är 787 Dreamliner – ett medelstort, bränslesnålt passagerarjetplan som för närvarande är under utveckling – kommer att bli det första kommersiella flygplanet där viktiga strukturella element är gjorda av kompositmaterial snarare än aluminiumlegeringar. Ändringarna förväntas minska komponentvikten med 20 procent, vilket avsevärt ökar bränsleeffektiviteten.
Bön och en vinge: En förproduktion av Boeing 787 avtäcktes förra året, men delar av dess vingbox (ovan) – huvudstrukturen för varje ving – spändes i stresstester. Strukturen, gjord av kompositmaterial, mäter mer än 15 meter gånger 5 meter och väger 55 000 pund, inklusive test av hårdvara och instrument. Företaget skärper upp denna version när den finjusterar designen av framtida vingboxar.
Sådana kompositmaterial – lager av superstarka kolfibrer och epoxi – har länge använts i militära jetplan, där pengar sällan är ett föremål, och i kommersiella jetplan för delar som bagagehylla ramar. Men Boeing lär sig hur svåra kompositer kan vara att analysera effektivt och bygga ekonomiskt för kommersiella jetstrukturer. Företaget har varit tvunget att skjuta upp introduktionen av 787:an eftersom delar av den komposittillverkade vinglådan - huvudstrukturen inuti varje vinge - spände sig i stresstester.
Vinglådan börjar ungefär i mitten av planet och sträcker sig ungefär två tredjedelar av vingspannet. Denna nyckelkomponent – mer än 15 meter lång och 5 meter bred – designades och byggdes av Boeing tillsammans med Mitsubishi Heavy Industries och Fuji Heavy Industries , i Japan. Pat Shanahan , vice ordförande för 787-programmet, sade i ett konferenssamtal förra veckan att strukturella tester hade identifierat behovet av att förstyva element i mittvingeboxen.
Fixeringen kräver att man lägger till nya fästen och andra delar till redan byggda vingboxar, samt modifiering av designen på lådor som ännu inte byggts. Ombyggnader av befintliga lådor kommer att inkräkta på ledningsbanor, vilket förvärrar problemen. Så Boeing skjuter fram leveransdatumet för 787:an cirka sex månader, från första kvartalet till tredje kvartalet 2009.
Problemet med kompositer är inte att de inte är starka; det är att de är så inre komplexa. De består av lager orienterade i olika riktningar; dessa skikt är i sin tur gjorda av individuella fibrer som kan variera något i sammansättning. Detta gör det svårt för ingenjörer att exakt efterlikna deras prestanda i datormodeller för testning före tillverkning.
Kompositmaterial är svårare att analysera än enkla homogena metaller, säger man John Hansman , direktör för International Centre for Air Transportation , vid MIT. Du modellerar vanligtvis inte varje fiber i strukturen, så du kommer på modeller som har förenklingar.
Dessutom, säger han, kompositer tillåter ingenjörer att göra anpassade former, men dessa anpassade former förvärrar det redan svåra modelleringsproblemet. Du har många fler designalternativ, vilket kan vara både en styrka och en svaghet. Det finns många fler saker jag kan göra med kompositmaterial – lägga till styrka på specifika ställen, ta bort det – men då har du kombinationer av både geometrin och den speciella uppställningen av kompositmaterialen som är unika.
Boeings mekaniska stresstester börjar med representativa delar (känd som kuponger), går sedan vidare till successivt större delar av strukturen och slutligen till hela strukturen. Boeing lägger in strukturdelarna i enorma hydrauliska maskiner som böjer och vrider dem för att efterlikna påfrestningar som går långt utöver de värsta förväntade förhållandena i verkliga flygningar. Det var under sådana tester som problem uppstod med konstruktionsgaller i vinglådan.
Shanahan sa i förra veckans telefonkonferens att Boeing har spårat problemet tillbaka till ett fel i tidigare modelleringsanalys, men han förklarade inte detaljerna. Vi upptäckte det. Vi kommer att gå tillbaka och rätta till det, sa han. Shanahan tillade att Boeing inte har tappat tron på sina beslut att använda kompositer i större utsträckning; 95 procent av tusentals tester har gett lika bra eller bättre än väntat resultat. Vid ett sådant test – av den komposittillverkade flygkroppen – var ingenjörer tvungna att stoppa testet av rädsla för att gå sönder testutrustningen, skröt han.
David Roylance , en kompositexpert och docent i materialteknik vid MIT, säger att Boeings erfarenhet av 787 visar att industrin fortfarande är på en inlärningskurva när det gäller att använda kompositer mer allmänt i kommersiella flygplan. Det finns en mängd olika saker med kompositer som är manipulerbara, men som är annorlunda än metaller, säger han. Så det tar tid för folk att känna sig bekväma med det.