Stealth technologie ve spojení s nanotechnoligií Tento prototyp XF 21d je čtyřmotorový stíhací strategický bombardér třídy Stealth. Jedná se o kci. s deltakřídlem opatřeným na koncích směrovými křidélky. Na tomto systému jsou založeny už mnohé stroje jako F-117 Nighthawk, B1 Lancer, B-2 Spirit, F-22 Raptor, SR-71 Blackbird 1) Stroj je pokryt kompozitními materiály a speciální vrstvou materiálu RAM (Radar Absorbent Materials) ta má účinek ten že pohlcuje radarový signál/záření a propouští zpátky jen menší procento z celkového signálu který na letoun dopadl. 2) Specifické tvary tohoto prototypu jsou dány především proto, aby se radarový paprsek odrážel jinam než zpátky k radarovému přijímači (bylo totiž zjištěno že úhel pod kterým dopadá signál na letadlo je v rozmezí 30, proto byly křivky letadla navrhnuty tak, aby se signál ve stejném uhlů nevracel, ale byl odrážen úplně jinam - a to i v případě systému AWACS, který bude na vyšší letové hladině). Tyto tvary jsou vidět všude na letadle, někdy vidět nejsou, protože jsou skryty pod nátěrem, ale mají stejný účinek - odráží signál. Vypadají asi jako zuby u pily. Jen s tím rozdílem, že mají ostré a rovné tvary. 3) Vnitřní konstrukce je také přizpůsobena pro odrážení signálu a to tak že po celé ploše letadla je konstrukce tvořena jakýmisi schránkami do tvaru písmene V = VVVVV signál do nich dopadne a odráží se jakoby uvnitř a jen malá část z něj se vrací zpátky. Takovéto koncepci se říká diagonální žebra a jsou udělána z keramického skla. Letoun nemá klasickou kostru, ale jeho trup je díky pevnostním parametrům technologie nanotubes samonosný. 4) Letoun je vybaven rušícím zařízením, které vysílá nový signál zpět do radaru. Na povrch letounu dopadá signál, který se odráží ve stejné kumulaci zpět do radaru, tento systém však pošle směrem k radaru signál s opačnou kumulací tzn. signál, který dopadá na povrch letounu, vypadá jako sinusoida je vrácen zpět k radaru se stejnou fází, ale jako jako cosinusoida, takže se oba signály vyruší a výsledek je takový že na obrazovce se neukáže takřka žádný obraz. 5) O prozatimní pohon prototypu se starají 4 spolehlivé proudové motory General Electric F101-GE-102 s přídavným spalováním, které jsou známy především z letounů B1 Lancer. V sériové výrobě budou nahrazeny typy Pratt & Whitney F119-P-100 taktéž s přídavným spalováním. Tah motorů: (údaje pro jeden motor) General Electric F101-GE-102... 64,94 kn / 136,92 kn s přídavným spalovaním Pratt & Whitney F119-P-100... 155,69 kn s přídavným spalovaním Rozměry: délka: 21,30 m výška: 3.78 m rozpětí:12.20 m rozvor kol: 4,40 m rozchod kol:7,25 m Palivo: Interní nadrže 19 800 lb (9000 kg) Přídavné nadrže nejsou Zařízení pro tankování za letu Max. dolet: 3500 miles (5600 km) Max rychlost: 1005 kt (1157 mph; 1862 km) - Mach 1,7 ve 30000 ft (9145 m) s přídavným spalováním 905 kt (1042 mph; 1677 km/h) - Mach 1,58 ve 36000 ft (10975 m) Posádka: Pilot, co-pilot na Weber (McDonnell Douglas) ACES II 0/0 vystřelovacích sedadlech
Zhodnocení změny dynamických vlastností letadla dle použitých materiálů V následujících výpočtech se zaměříme na změnu určité veličiny v závislosti na změně hmotnosti... Pro výpočty použijeme následujících hodnot z tab. získáných na webových serverech... Materiál Youngův modul (GPa) Pevnost v tahu (GPa) Hustota (g/cm 3 ) Single wall nanotube (SWNT) 1054 150 - Multi wall nanotube (MWNT) 1200 150 2.6 Ocel 208 0.4 7.8 Pryskyřice 3.5 0.005 1.25 Dřevo 16 0.008 0.6 V našem případě použijeme vícestěnné nanotrubičky (MWNT), jelikož chceme dosáhnout větší pevnosti. Rozdíl v hmotnosti nebude tak markantní a navíc neznáme hodnotu hustoty jednostěnných nanotrubiček SWNT. Tyto trubičky budou zakomponovány do kompozitního materiálu a budou plnit funkci zpevňujíích vláken. Kompozitní materiály jsou vlastně směsi ze dvou a více různých složek. Abychom mohli hovořit o kompozitu musí být obsahy jednotlivých složek alespoň 5%, tyto složky mají navíc rozdílné vlastnosti. Kompozitní matereiály využívají právě rozdílných vlastností složek - výsledné vlastnosti kompozitu jsou také jiné, než vlastnosti samostatných složek. Většina kompozitů se využívá pro jejich zlepšené mechanické vlastnosti (jako např. v F1), ale mají i jiné využití (např. supravodivá vlákna Nb3Sn mají výborné vodivostní vlastnosti, ale jsou velice křehká. Proto jsou v bronzové matrici, která zajišťuje svou houževnatostí mechanickou ochranu vláken). Kompozity jsou tvořeny matricí (hlavní materiál - kontinuální složka) a zpevňující složky (vlákna nebo sferoidické částice). Matrice může být kovová, keramická nebo polymerová. Podle tvaru a umístění zpevňujících složek se kompozity dělí na: * kompozity zpevněné vlákny * kompozity zpevněné částicemi Ty se dále dělí na: * kompozity s jednou vrstvou * mnohavrstvové kompozity -lamináty -hybridy...výsledné vlastnosti kompozitu jsou ovlivněny váhovým a objemovým poměrem jednotlivých složek. Typickým zástupcem přírodního kompozitu je dřevo - spirálová celulozová vlákna jsou vázána lignitem při růstu stromu. Přírodní vlákna (dřevo, konopí) nemají ve srovnání se syntetickými vlákny dostatečné vlastnosti - i když své aplikace najdou. Daleko rozšířenější jsou vlákna umělá.
Vlastnosti některých syntetických vláken: Materiál Hustota Youngův modul Pevnost v Lomová defor. (Mg/m3) Ef (GPa) tahu (MPa) (%) Aramid (Kevlar49) 1,45 130 2900 2,5 Sic (Nicalon) 2,6 250 2200 0,9 Alumina (FP) 3,9 380 1400 0,4 Bor 2,65 420 3500 0,8 Polyetylen (S1000) 0,97 172 2964 1,7 Nevýhodami kompoziotů s polymerovou matricí jsou jejich nízké pracovní teploty, vysoké koeficienty tepelné roztažnosti a z toho plynoucí rozměrová nestabilita a citlivost na radiaci (i sluneční záření) a vlhkost. Absorbce vody z prostředí může významně degradovat mechanické vlastnosti kompozitu....výjimku tvoří právě polymery zpevněné právě uhlíkovými vlákny, které mají velmi nízký koeficient tepelné roztažnosti a epoxidy jsou odolné vůči radiaci. Výpočty a porovnání zrychlení v závislosti na hmotnosti Klasické materiály: Normalní vzletová hmotnost: Max. vzletová hmotnost: M 0 := M N := 20450 kg 40450 kg Max. rychlost: 1005 kt (1157 mph; 1862 km) hod := - Mach 1,7 ve 30000 ft (9145 m) s přídavným spalováním 3600 s v max := 1862000 m v hod max = 517 m s
Normální vzletová hmotnost: M VZ := 29450 kg dáno: M VZ := 29450 kg F 1 := 4 155690 N v max := 1862000 m v hod max = 517 m s F 1 Tah motorů na 1kg váhy: τ M1 := M VZ τ M1 = 21.146 N kg F 1 Teoretické zrychlení: a 1 := M VZ a 1 = 21.146 m s 2 v max Maximální rychlosti dosáhneme za: t 1 := t a 1 = 24 s 1 předpoklad: Nanotubes - trup je samonosný (odpadá hmotnost kostry) - použité materiály trupu a křídel jsou z kompozitních materiálů vyztužených nanotrubičkami - motory, podvozek a osatní příslušenství zatím ponecháno bezezměn...proto předpokládejme redukci motnosti o cca 40% tzn: M NT := 0.6 M VZ F 2 := F 1 v max := 1862000 m v hod max = 517 m s F 2 Tah motorů na 1kg váhy: τ M1 := M NT τ M1 = 35.244 N kg F 2 Teoretické zrychlení: a 2 := M NT a 2 = 35.244 m s 2 v max Maximální rychlosti dosáhneme za: t 2 := t a 2 = 15 s 2 t 2 Poměr časů: t P := t t P = 0.6... max. rychlosti dosáhneme x rychleji než při použití 1 konvenčních materiálů!!!
Vzhled povrchu s použitím uhlíkových nanotrubiček Vzhled povrchu po následném použitím nátěru RAM links: http://wikipedia.infostar.cz/c/ca/carbon_nanotube.html http://www.mrsec.wisc.edu/ipse/activities/forms%20of%20carbon%20html/carbonag3.11.03.html http://www.grc.nasa.gov/www/rt2001/5000/5410hepp1.html http://www.xintek.com/tech_forum/cnt_properties.html http://www.ewels.info/img/science/nanotubes/ http://home.tiscali.cz:8080/cz130675/