Jelajahi komposit resin yang diperkuat serat pada helikopter, termasuk serat karbon, kaca, dan aramid, aplikasi strukturalnya, manfaat kinerja, dan trennya.
Status Penerapan Komposit Berbasis Resin Bertulang Serat, Termasuk Aramid, di Helikopter
Abstrak
Makalah ini memperkenalkan karakteristik yang relevan dari komposit berbasis resin yang diperkuat serat serta jenis dan sifat komposit berbasis resin yang diperkuat serat yang umum digunakan di helikopter.Ini menjelaskan karakteristik struktural helikopter dan bagian aplikasi spesifik serta status terkini komposit berbasis resin yang diperkuat serat di helikopter.Karakteristik struktural, pemilihan material, dan fungsi komponen aplikasi pada helikopter dibahas, dan tren pengembangan material komposit untuk helikopter di masa depan juga diantisipasi.Penelitian menunjukkan bahwa komposit berbahan dasar resin yang diperkuat serat telah diterapkan secara luas pada helikopter karena sifat materialnya yang sangat baik, sehingga memainkan peran penting dalam kemajuan teknologi helikopter.
01 Pendahuluan
Material komposit adalah sistem material baru yang dibentuk dengan menggabungkan beberapa material dengan sifat fisik dan kimia yang berbeda, seperti polimer organik, non-logam anorganik, atau logam, melalui proses komposit, mencapai skala dan tingkat struktural yang berbeda (mikroskopis, mesoskopik, atau makroskopis) melalui kombinasi spasial yang kompleks.Material komposit biasanya menggunakan resin, logam, dan keramik sebagai matriks dan material penguat berkinerja tinggi seperti serat, kain, dan kumis sebagai penguat, diproduksi melalui proses komposit material khusus.Material komposit dapat mempertahankan karakteristik asli material penyusunnya sekaligus memperoleh sifat baru, yang sangat penting untuk meningkatkan kinerja material secara keseluruhan.Saat ini, material komposit telah berkembang menjadi salah satu dari empat sistem material utama selain material logam, material non-logam anorganik, dan material polimer.Material komposit memiliki banyak karakteristik seperti kekuatan spesifik yang tinggi, modulus spesifik yang tinggi, berat jenis yang rendah, bobot yang ringan, sifat yang dapat dirancang, dan sifat kimia yang stabil.Ketika diterapkan pada struktur helikopter, mereka dapat secara efektif meningkatkan kinerja pesawat, memastikan keselamatan penerbangan, dan mencapai pengurangan berat struktural.Dengan pesatnya perkembangan material komposit, penerapan dan kuantitas material komposit canggih pada bagian-bagian penting pesawat terbang telah menjadi salah satu indikator penting untuk mengukur kemajuan struktur pesawat.
02 Bahan Komposit Berbasis Resin yang Diperkuat Serat
Material komposit yang diperkuat serat adalah material komposit yang dibuat melalui berbagai proses pencetakan seperti penggulungan, pencetakan, atau pultrusion dari serat penguat dan material matriks.Serat sebagai bahan penguat merupakan komponen utama bahan komposit yang diperkuat serat.Serat yang digunakan berukuran sangat kecil, umumnya berdiameter kurang dari 10 μm, memiliki sedikit cacat, serta memiliki kekuatan dan modulus yang tinggi, menjadikannya bagian penahan beban utama pada material komposit.Bahan matriks seringkali merupakan bahan keras dengan sifat viskoelastik dan elastoplastik, mampu menahan regangan besar dan berfungsi untuk mengikat dan melindungi bahan serat, memainkan peran penting dalam menjaga integritas dan konsistensi struktur komposit.Komposit yang diperkuat serat memiliki kekuatan spesifik yang tinggi, kekakuan spesifik yang tinggi, kinerja redaman yang baik dan ketahanan lelah, serta sifat-sifatnya dapat dirancang sesuai kebutuhan, menjadikannya pilihan material utama untuk komponen komposit di bidang helikopter.
Material yang biasa digunakan pada helikopter adalah komposit berbahan dasar resin yang diperkuat serat, dimana penguatnya adalah bahan serat berperforma tinggi dan matriksnya adalah bahan resin berperforma tinggi.Jenis, orientasi, dan jumlah serat penguat secara signifikan mempengaruhi kepadatan, kekuatan, dan kinerja kelelahan material komposit.Bahan penguat serat yang umum digunakan antara lain serat karbon, serat kaca, dan serat aramid.Peran matriks resin adalah untuk merekatkan bahan-bahan penguat, melindungi serat dari faktor fisik dan kimia eksternal, dan juga menghambat perambatan retakan ketika serat putus.Pemilihan material matriks resin menentukan ketangguhan, ketahanan terhadap penuaan panas lembab, dan temperatur servis material komposit.Matriks resin umumnya diklasifikasikan menjadi tipe termoset dan termoplastik.Resin termoset terutama mengacu pada resin epoksi, resin bismaleimida, dan resin polimida;resin termoplastik termasuk etilen, nilon, polytetrafluoroethylene, dan polyetheretherketone (PEEK).Resin termoset memiliki sejarah penerapan yang panjang, sedangkan resin termoplastik diperkenalkan kemudian.Namun, perkembangannya pesat dalam beberapa tahun terakhir, dan karakteristiknya yang dapat dibalik setelah proses pengawetan sangat meningkatkan kemampuan daur ulang material komposit.Saat ini, material komposit yang diperkuat serat termoplastik digunakan di banyak helikopter di luar negeri.Artikel ini memperkenalkan beberapa jenis material komposit berbasis resin yang diperkuat serat yang umum digunakan pada helikopter saat ini.
2.1 Bahan Komposit Berbasis Resin yang Diperkuat Serat Karbon
Serat karbon merupakan bahan grafit mikrokristalin berserat dengan kandungan karbon sekitar 95%.Ini terutama diproduksi dengan karbonisasi dan grafitisasi serat organik pada suhu tinggi 1300℃～1800℃ di bawah perlindungan gas inert.Serat karbon memiliki sifat yang sangat baik seperti kekuatan tinggi, modulus tinggi, kepadatan rendah, tidak merambat, tahan suhu tinggi di lingkungan non-oksidasi, ketahanan lelah yang baik, ketahanan korosi yang baik, serta konduktivitas listrik dan termal yang baik.Saat ini merupakan bahan penguat yang paling banyak digunakan dan paling penting.Diantaranya, komposit matriks resin yang diperkuat serat karbon, dibentuk dengan menggabungkan serat karbon dengan bahan resin, menunjukkan kinerja komprehensif terbaik di antara bahan struktural yang ada dan paling banyak digunakan di helikopter, dengan komposit matriks resin epoksi yang diperkuat serat karbon menjadi contoh tipikal.Setelah verifikasi selama bertahun-tahun, matriks resin epoksi memiliki banyak keunggulan seperti kinerja komprehensif yang sangat baik, kemampuan proses yang baik, dan biaya rendah.Untuk lebih meningkatkan kinerja dan kualitas material komposit, resin bismaleimida dan resin polimida tahan suhu tinggi telah dikembangkan secara berturut-turut.Komposit yang diperkuat serat karbon yang dibuat dengan resin bismaleimida dan bahan lain sebagai matriks secara bertahap diterapkan di helikopter, meningkatkan kemampuan beradaptasi dan daya tahannya di lingkungan yang keras seperti suhu tinggi dan panas tinggi.
2.2 Komposit Matriks Resin Bertulang Serat Kaca
Serat kaca merupakan bahan non-logam anorganik berkinerja tinggi dengan kekuatan dan elastisitas tinggi, serta keunggulan seperti ketahanan panas yang kuat, insulasi yang baik, dan ketahanan terhadap korosi.Material komposit yang dibuat dengan serat kaca sebagai bahan penguat dapat secara efektif meningkatkan kinerja dan kepadatan material.Komposit matriks resin epoksi serat kaca terutama digunakan di helikopter.Material komposit yang terbuat dari berbagai jenis serat kaca memiliki sifat dan aplikasi yang berbeda.Berdasarkan persyaratan aplikasi praktis, komposit matriks resin yang diperkuat serat kaca yang terbuat dari kain serat kaca, pita kaca, dan serat cincang biasanya digunakan dalam pembuatan komponen helikopter.
2.3 Komposit Matriks Resin Bertulang Serat Aramid
Serat aramid adalah jenis baru dari bahan serat sintetis berkinerja tinggi, juga dikenal sebagai serat poliamida aromatik.Serat aramid memiliki ketahanan suhu tinggi dan sifat anti penuaan yang sangat baik.Ringan namun berkekuatan tinggi, beratnya hanya sekitar 1/5 berat kawat baja, tetapi dengan kekuatan 5-6 kali lipat dari kawat baja.Serat kevlar yang diproduksi oleh DuPont adalah contoh khas serat aramid.Kinerja kekuatan dan desain ringan yang dihasilkan oleh komposit matriks resin yang diperkuat serat aramid secara efektif meningkatkan daya tanggap dan mematikan helikopter.
03 Karakteristik Struktur Helikopter
Helikopter memiliki kemampuan terbang yang unik dan bentuk struktur yang khas, menjadikannya satu-satunya alat transportasi yang saat ini mampu menjangkau medan apa pun.Struktur helikopter terutama terdiri dari dua bagian: sistem rotor dan struktur badan pesawat.Sistem rotor helikopter terdiri dari dua bagian utama: bilah rotor dan hub rotor.Bilah rotor dapat dibagi lagi menjadi bilah rotor utama dan bilah rotor ekor.Sistem rotor adalah struktur komponen bergerak unik pada helikopter.Rotasi rotor memberikan daya angkat, gaya kendali, dan daya dorong ke depan, memungkinkan helikopter melakukan berbagai operasi udara, termasuk lepas landas dan mendarat vertikal, melayang, penerbangan maju, penerbangan lateral, penerbangan putar balik, dan penerbangan ketinggian rendah.Selain itu, jika terjadi kegagalan mesin, sistem rotor dapat memanfaatkan energi kinetik rotasi yang ada dan energi potensial helikopter untuk memutar rotor secara otomatis, sehingga memastikan pendaratan yang aman dan meluncur.
Struktur badan pesawat merupakan komponen penting yang menopang dan mengamankan bagian-bagian dan sistem helikopter, menghubungkannya menjadi satu kesatuan yang utuh.Bertanggung jawab untuk membawa dan mengangkut personel, peralatan, dan persediaan.Bentuk struktur badan pesawat secara signifikan mempengaruhi kinerja penerbangan, penanganan, dan stabilitas helikopter.Struktur badan pesawat helikopter harus memprioritaskan pengurangan bobot, dan helikopter militer juga harus mempertimbangkan fitur desain seperti antipeluru, kelayakan tabrakan, siluman, dan penyerapan energi.Selain itu, helikopter umumnya terbang pada ketinggian di bawah 6000m, bahkan ada yang mencapai ketinggian 15m, menjadikannya pesawat dengan ketinggian rendah hingga sedang.Lingkungan pengoperasian utama mereka adalah kondisi yang keras seperti lembab/panas, kering/dingin, badai pasir/hujan, dan air laut.Oleh karena itu, badan pesawat helikopter biasanya memerlukan ketahanan cuaca dan ketahanan korosi yang sangat baik untuk memenuhi persyaratan ketat di berbagai wilayah dan iklim.
04 Penerapan Material Komposit Berbasis Fiber-Reinforced Resin pada Helikopter
4.1 Bilah Rotor
Terobosan pengembangan material komposit pada helikopter dimulai pada tahun 1960-an dengan keberhasilan pengembangan bilah rotor komposit yang diperkuat serat kaca untuk helikopter seperti BO-105 dari MBB (Messerschmitt-Bolkow-Blohm) di Jerman Barat, SA341 "Gazelle" dari Aerospatiale di Prancis, dan Ka-26 dari Kamov di Rusia.Hal ini menandai dimulainya penerapan baling-baling komposit pada helikopter.
Saat ini, teknologi helikopter telah maju ke generasi ketiga dan keempat, dengan baling-baling yang dirancang dan diproduksi secara luas menggunakan material komposit.Dibandingkan dengan bilah logam yang digunakan pada helikopter awal, bilah komposit memiliki masa pakai yang jauh lebih lama, umumnya melebihi 6000 jam, tidak seperti bilah logam yang umumnya memiliki umur 2000 jam.Bilah komposit lebih mudah diperbaiki, memiliki biaya perawatan lebih rendah, siklus perawatan lebih pendek, dan memungkinkan pertukaran bilah tunggal.Penerapan baling-baling komposit telah meningkatkan efisiensi dan keselamatan operasional helikopter, mengurangi total biaya umur baling-baling helikopter, dan membawa manfaat ekonomi yang cukup besar.
Komposit matriks resin yang diperkuat serat, karena kinerja dan kemampuan desainnya yang sangat baik, telah banyak digunakan pada bilah komposit helikopter, terhitung sekitar 70% dari penggunaan bilah saat ini.Komponen yang terbuat dari komposit matriks resin yang diperkuat serat pada bilah komposit terutama mencakup kulit, spar, dan pengisi sambungan, yang semuanya merupakan komponen kunci bilah.Komposit matriks resin yang diperkuat serat yang digunakan dalam pembuatan pisau, juga dikenal sebagai prepreg, dibuat dengan melakukan pra-impregnasi bahan serat ke dalam matriks resin di bawah kendali ketat.
Kulit merupakan komponen penahan beban dan pembentuk bilah yang penting, yang memberikan kekakuan torsional dan tetanik utama.Hal ini terutama terdiri dari prepreg serat karbon dan prepreg serat kaca, dan opsi tata letak kulit yang berbeda memungkinkan desain dan pembuatan bilah komposit dengan kualitas kinerja yang bervariasi.Spar adalah komponen penahan beban utama dari sudu komposit, yang terletak di tepi depan.Daerah ini biasanya berfungsi sebagai sisi angin selama perputaran sudu dan mengalami hambatan angin terbesar, sehingga memerlukan kekuatan dan kekakuan struktural yang tinggi.Spar terutama terbuat dari bahan komposit berbasis resin yang diperkuat serat kaca berkekuatan tinggi, biasanya diletakkan di sepanjang rentang bilah.Pengisi sambungan terbuat dari bahan komposit berbahan dasar resin serat cincang, umumnya menggunakan serat kaca cincang.Terletak di akar bilah, pengisi sambungan harus dibentuk terlebih dahulu sebelum pencetakan dan perakitan bilah.Akar sudu terhubung ke hub, dan semua beban dinamis dan statis ditransfer ke hub melaluinya, menjadikannya bagian paling kompleks dari struktur sudu yang mengalami tekanan.Karena banyaknya komponen yang kompleks pada akar bilah, kinerja, bentuk, dan posisi pengisi sambungan secara langsung memengaruhi kualitas dan kekuatan cetakan bilah.Selain itu, bilah tepi belakang, yang berperan penting dalam mengatur goyangan bilah, umumnya terbuat dari komposit matriks resin yang diperkuat serat kaca berkekuatan tinggi.Saat ini, bilah komposit helikopter domestik terutama menggunakan komposit matriks resin yang diperkuat serat dengan proses pengawetan suhu sedang, menggunakan metode pencetakan kompresi co-curing satu kali.Bilah komposit asing menggunakan ikatan sekunder dan proses pengawetan suhu tinggi selama pembuatan.Dengan pesatnya perkembangan material, proses, dan peralatan baru, bilah komposit helikopter akan membuka kemungkinan yang lebih besar di masa depan.
4.2 Hub Pisau
Hub bilah adalah komponen penting yang memasang bilah rotor dan menghubungkan sistem rotor ke sistem transmisi dan kontrol.Hub blade tradisional sebagian besar terbuat dari logam, dirakit dari banyak bagian presisi, sehingga menghasilkan konfigurasi yang sangat rumit serta biaya produksi dan pemeliharaan yang tinggi.Cara menyederhanakan desain struktural, mengurangi kesulitan produksi, dan mencapai pengurangan bobot struktural sekaligus memastikan kinerja dan kualitas hub blade selalu menjadi fokus upaya penelitian.Dengan pengembangan dan penerapan material komposit, terobosan dan kemungkinan baru telah muncul dalam perancangan dan pembuatan hub rotor yang strukturnya sederhana, kinerjanya stabil, aman dan andal, serta sangat efisien.
Saat ini, penelitian aplikasi utama material komposit pada struktur hub rotor berfokus pada mewujudkan struktur hub rotor tanpa bantalan dengan memanfaatkan sifat-sifat material komposit.Hub rotor tanpa bantalan menghilangkan tiga engsel mekanis yaitu gerakan mengepak, melempar, dan yaw, yang mewakili terobosan besar dalam teknologi rotor dan menandakan arah pengembangan teknologi desain rotor.Struktur hub rotor tanpa bantalan menggunakan balok dan selongsong fleksibel untuk menggantikan engsel mekanis di tiga arah ini, dengan balok fleksibel menjadi komponen utamanya.Dalam sistem rotor tanpa bantalan, derajat kebebasan untuk gerakan mengepakkan, melempar, dan yaw pada sudu semuanya disediakan oleh deformasi balok fleksibel.Munculnya sinar fleksibel dapat sangat menyederhanakan struktur rotor, mengurangi komponen perakitan, dan menurunkan biaya perawatan.Konstruksi balok fleksibel sangat rumit.Mengingat kondisi penahan beban yang ketat dan persyaratan kinerja seperti regangan yang diijinkan dari bahan yang digunakan dalam fabrikasinya, komposit matriks resin yang diperkuat serat kaca berkinerja tinggi terutama dipilih untuk pembuatan balok fleksibel.Teknologi sinar fleksibel untuk helikopter sudah matang di luar negeri, dan rotor tanpa bantalan telah berhasil diterapkan pada berbagai helikopter, seperti EC-135 dan RAH-66.Penelitian dalam negeri dan pengembangan teknologi desain dan fabrikasi struktur balok fleksibel juga sedang dilakukan, dan diharapkan teknologi rotor baru ini akan berhasil diterapkan pada helikopter domestik dalam waktu dekat.
4.3 Struktur Badan Pesawat
Badan pesawat helikopter memiliki permukaan melengkung yang besar, sehingga cocok untuk fabrikasi menggunakan komposit matriks resin yang diperkuat serat.Karena banyaknya permukaan melengkung yang berdinding tipis dan rumit, sejumlah besar komponen, seperti kokpit, fairing tepi depan, dan fairing boom ekor, menggunakan struktur sandwich sarang lebah yang terbuat dari komposit matriks resin yang diperkuat serat.Helikopter beroperasi di lingkungan luar ruangan yang keras, terutama helikopter militer, yang sering terkena suhu tinggi, kelembapan tinggi, hujan, dan semprotan garam.Mempertimbangkan dampak lingkungan yang panas dan lembab, proses pengawetan dengan suhu tinggi memastikan proses pengeringan yang sempurna, meminimalkan dampak terhadap lingkungan, dan mengurangi penurunan kinerja.Komponen penahan beban utama pada struktur badan pesawat sebagian besar terbuat dari komposit matriks resin yang diperkuat serat yang diawetkan dengan suhu tinggi, sedangkan komponen penahan beban sekunder sering kali terbuat dari komposit yang diawetkan dengan suhu sedang.Selain komposit matriks resin yang diperkuat serat karbon dan serat kaca yang umum digunakan, komposit matriks resin yang diperkuat serat aramid juga banyak digunakan pada komponen helikopter, seperti stabilisator horizontal, fairing, fairing ekor, dan penutup akses pemeliharaan.Kompartemen mesin helikopter dan area sekitarnya, seperti nosel pembuangan mesin, saluran masuk udara, dan fairing kompartemen mesin, kini diproduksi menggunakan komposit matriks resin yang diperkuat serat kaca tahan suhu tinggi, menggantikan paduan titanium tradisional.Penerapan material jenis ini secara efektif menghambat penyebaran api dalam situasi berbahaya, menjamin keamanan dan keandalan helikopter.
05 Kesimpulan
Komposit matriks resin yang diperkuat serat telah banyak digunakan dalam struktur helikopter karena sifat materialnya yang sangat baik, sehingga memberikan kontribusi yang signifikan terhadap kemajuan teknologi helikopter.Perkembangan teknologi helikopter dalam negeri di masa depan akan menghasilkan efisiensi tinggi, umur panjang, keandalan tinggi, dan biaya rendah, yang menyebabkan semakin ketatnya persyaratan untuk material dan struktur, dan menciptakan kebutuhan mendesak akan material komposit berkinerja tinggi, teknologi desain canggih, dan proses manufaktur.Dengan kemajuan penelitian dan pengembangan teknologi material komposit struktural berkinerja tinggi, yang diwakili oleh serat karbon modulus tinggi berkekuatan tinggi tingkat T1100 dan matriks resin termoplastik berkinerja tinggi, dimungkinkan untuk mencapai pengurangan berat struktural dan daur ulang komposit matriks resin yang diperkuat serat sambil memastikan kinerja struktural material komposit helikopter.Menerapkan teknologi simulasi digital canggih pada manufaktur struktur material komposit dapat memastikan peningkatan kualitas komponen dan secara signifikan mengurangi limbah material dan sumber daya.Penerapan luas teknologi pencetakan material komposit otomatis berbiaya rendah, seperti penempatan serat otomatis, juga membantu mengurangi biaya produksi dan meningkatkan efisiensi produksi.
Selain itu, lokalisasi material aplikasi helikopter tetap menjadi arah yang terus kami perjuangkan dan menjadi tren pengembangan di masa depan.Sambil meningkatkan variasi dan kinerja material, material komposit berkinerja tinggi dalam negeri perlu lebih selaras dengan teknologi material komposit canggih internasional.Diyakini bahwa dengan kemajuan penelitian dan pengembangan serta upaya bersama semua orang, penerapan komposit matriks resin yang diperkuat serat untuk helikopter di negara saya akan membuka babak baru.
