Vypocty

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 k řivky 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/cm3)
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
Aramid (Kevlar49)
Sic (Nicalon)
Alumina (FP)
Bor
Polyetylen (S1000)
Hustota Youngův modul Pevnost v Lomová defor.
(Mg/m3)
Ef (GPa)
tahu (MPa)
(%)
1,45
130
2900
2,5
2,6
250
2200
0,9
3,9
380
1400
0,4
2,65
420
3500
0,8
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 := 20450⋅ kg
M N := 40450⋅ kg
Max. rychlost: 1005 kt (1157 mph; 1862 km)
hod := 3600⋅ s
- Mach 1,7 ve 30000 ft (9145 m) s přídavným spalováním
v max := 1862000
m
hod
v max = 517
m
s
M VZ := 29450⋅ kg
Normální vzletová hmotnost:
dáno:
M VZ := 29450⋅ kg
F1 := 4 ⋅ 155690⋅ N
v max := 1862000
Tah motorů na 1kg váhy:
m
hod
τ M1 :=
a1 :=
Teoretické zrychlení:
v max = 517
m
s
F1
τ M1 = 21.146
M VZ
F1
M VZ
Maximální rychlosti dosáhneme za: t1 :=
a1 = 21.146
N
kg
m
2
s
v max
t1 = 24 s
a1
Nanotubes
předpoklad:
- 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
F2 := F1
v max := 1862000
m
hod
v max = 517
Tah motorů na 1kg váhy:
s
τ M1 :=
a2 :=
Teoretické zrychlení:
m
F2
M NT
F2
M NT
Maximální rychlosti dosáhneme za:
Poměr časů:
tP :=
t2
t1
tP = 0.6
τ M1 = 35.244
a2 = 35.244
N
kg
m
2
s
t2 :=
v max
a2
t2 = 15 s
........... max. rychlosti dosáhneme x rychleji než při použití
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/