Negli Stati Uniti il Fundamental Aeronautics Program/Subsonic Fixed Wing Project della NASA ha finanziato un programma di ricerca il cui obiettivo era lo sviluppo di potenziali concepts per rivestimenti protettivi per aerei di linea in materiale composito, che consentono il naturale flusso laminare e una significativa riduzione di peso nella struttura principale dell’aereo. Un rivestimento protettivo è necessario per assorbire gli urti e per garantire la protezione ambientale.
Il contratto NASA Protective Skins for Composite Airliners ha portato allo sviluppo del concept STAR-C² che «dovrebbe essere in grado di appiattire le asperità o lacune, fornire isolamento termico, assorbire l’impatto e l’energia acustica, riflettere i raggi ultravioletti e infrarossi, condurre grandi quantità di corrente elettrica (per i fulmini) e fornire una superficie esteticamente gradevole», spiega Vicki Johnson, ricercatore e Principal Investigator presso la Cessna Aircraft Company, che ha supervisionato il progetto. Attualmente le strutture composite sono sovra-disegnate per essere in grado di resistere agli impatti, alle alte temperature e ad alti valori di umidità, oltre che a portare i carichi. All’interno della fusoliera è presente dell’isolamento acustico (e talvolta termico). All’esterno si utilizzano riempitivi e carenature per rendere la superficie liscia ed esteticamente gradevole, insieme ad uno strato di materiale di protezione dai colpi di fulmine, a vernice che fornisce anch’essa una superficie dall’aspetto gradevole all’occhio e liscia che riflette la luce solare per aiutare a minimizzare la temperatura nella cabina. «Idealmente il concept C-STAR² mira a generare una struttura primaria composita che deve solo trasportare carichi e può essere progettata senza penalità di peso per gestire l’impatto e le condizioni atmosferiche di calore e umidità – spiega Johnson -. Nella situazione ideale, il nucleo gestisce l’impatto e il trattamento termico e acustico, eliminando la necessità di un trattamento all’interno della fusoliera. Un rivestimento protettivo provvederà invece a tutte le altre funzioni (smoothing, fulmini, estetico, barriera all’umidità e riflessione)».
Al fine di fare una prima valutazione della fattibilità del concept C-STAR², alla Cessna si è proceduto alla definizione di requisiti e metriche, conducendo una ricerca sui potenziali materiali, e alla costruzione e sperimentazione di 173 articoli di prova.
I requisiti critici per il rivestimento STAR-C² sono l’assorbimento di energia (impatto) e l’opportunità di individuare i danni, la conducibilità (colpi di fulmine) e la scorrevolezza (smoothness). Altri requisiti importanti includono considerazioni termiche, di riflessione, estetiche, acustiche, ambientali e di altro tipo.
Cessna ha identificato una serie di metriche per la configurazione iniziale degli obiettivi per il rivestimento protettivoSTAR-C² e quindi ha confrontato i parametri effettivamente ottenuti con gli obiettivi. Le metriche includono peso areale, spessore, numero di strati e visibilità dei danni. Tutte le metriche hanno un target. Alcune delle metriche hanno limiti inferiori e superiori. Un riepilogo delle metriche è indicato nella tabella 1. L’obiettivo per la metrica del peso areale è stato sviluppato confrontando il peso complessivo della struttura composita primaria, del nucleo e della pellicola al peso di una fusoliera tradizionale composita del 2035 con tutti i materiali associati. Lo spessore è stato basato sulla minimizzazione del volume aggiunto per minimizzare la resistenza supplementare.
La ricerca di potenziali materiali da rivestimento è stata ardua per via delle molte variabili in gioco. La mancanza di dati completi e coerenti ha fatto della ricerca una sfida. Alla fine, i materiali da rivestimento e protettivi dai colpi di fulmine sono stati selezionati sulla base dei migliori dati disponibili. L’obiettivo era trovare il materiale più leggero possibile e limitare la quantità di adesivi richiesti. 25 diversi materiali sono stati utilizzati negli articoli di prova, questi sono stati combinati nei seguenti articoli di prova di prima generazione: 99 per l’impatto, 44 per i colpi di fulmine e 30 di estetica e scorrevolezza.
Tutti gli articoli di prova erano pannelli piani da 24 pollici per 24. Un pannello base substrato di 24 pollici per 24 e composto da sette strati di materiale unidirezionale ad angoli variabili è stato utilizzato per rappresentare la struttura principale. I rivestimenti di protezione dall’impatto avevano solo del materiale per la diffusione e l’assorbimento dell’impatto (senza protezione contro i fulmini o un film estetico). I pannelli per l’estetica e la scorrevolezza mancavano dello strato di protezione contro i fulmini, ma avevano il film estetico. Gli articoli di prova per gli effetti elettromagnetici avevano tutti gli strati di materiali. L’abbreviazione “IM -XX”, dove XX è un numero, per gli articoli di prova di impatto, l’abbreviazione “LS-XX” per gli articoli di prova degli effetti elettromagnetici, e l’abbreviazione “AS-XX” gli articoli di prova in relazione all’estetica e alla scorrevolezza.
Prove di impatto
Al fine di ampliare le informazioni ottenute circa la capacità dei vari materiali di resistere agli urti, la matrice di test consiste in tre energie di impatto (50 in-lbs, 180 in-lbs, e 250 in-lbs) con impattatori di tre diversi diametri (0,5″, 1,0″ e 1,75″) come indicato nella tabella 2. Il requisito è di 1,0″ a 180 in-lbs. Realisticamente i rivestimenti di protezione non devono superare i 180 in-lbs o 250 in-lbs per l’impattatore da 0,5″ o i 250 in-lbs per quello da 1,0″. I pannelli devono passare tutte le condizioni energetiche per l’impattattore da 1,75″.
I 99 pannelli di impatto sono stati testati applicando a ciascuno nove impatti. Nove linee di dati sono state raccolte per ciascun articolo di prova. I primi tre sono per l’impattatore da 0,5″ a 50, 180, e 250 in-lbs, i tre successivi sono per quello da 1,0″ ai tre livelli di energia, gli ultimi tre sono per quello da 1,75″ ai tre livelli di energia.
Raccogliendo tutti i dati per i 99 pannelli, riordinando, eliminando i pannelli che non soddisfacevano i requisiti di visibilità del danno e di impatto, e selezionando quei rivestimenti protettivi con un peso areale inferiore a 0,50 psf (per gli strati di diffusione e assorbimento dell’impatto) si è giunti ai 16 pannelli illustrati nella tabella 3.
Effetti diretti dei fulmini
I pannelli compositi sono stati colpiti utilizzando componente di corrente D (ARP 5412A6) con un’ampiezza di 100 kA sul lato del rivestimento protettivo. I pannelli sono stati testati in base alle sezioni applicabili della SAE ARP54167. Inoltre, una barra metallica e del filo “fusibile” sono stati installati sotto i pannelli per simulare un sistema instradato sotto il rivestimento (fascio di cavi, linea idraulica, ecc.) per determinarne gli effetti. Questa configurazione è stata utilizzata su tutti i pannelli.
Il requisito per passare la sperimentazione sugli effetti diretti dei fulmini è quello di non avere alcun foro interno o alcuna delaminazione interna (nessun foro o delaminazione nel pannello di base sotto strato). Non vi è alcun requisito circa fori esterni o delaminazioni esterne; il rivestimento protettivo può essere completamente dissolto dopo un colpo di fulmine. Otto dei 44 pannelli hanno fallito il test sugli effetti diretti dei fulmini. I rimanenti pannelli con pesi areali di 0.50 psf o meno sono mostrati nella tabella 4; i pannelli sono ordinati per peso areale. A differenza dei pannelli di impatto, questi pannelli hanno tutti gli strati di materiale e rappresentano il peso totale del rivestimento protettivo. In cima alla lista c’è la melamina idrofoba Polydamp con rivestimento in polietereterchetone metallizzato con un peso areale di 0,220 psf che è minore del target di 0,275 psf. Gli altri pannelli sono tutti al di sopra del target, ma questi sono tutti al di sotto il limite superiore di 0,50 psf.
Test di analisi termica
Un test di analisi termica è stato eseguito sui pannelli per l’estetica e la scorrevolezza al fine di individuare come il materiale dello stack-up avrebbe reso come isolante termico. Per sostenere questo test, un dispositivo di prova è stato fabbricato e montato nella porta d’apertura di un forno di convezione da laboratorio Blu M. Il supporto di prova era montato nell’apertura attraverso l’uso di diversi magneti di terre rare ed è stato sigillato contro i telai interni del forno per evitare perdite di aria. Un’apertura ha consentito ai pannelli di essere montati nel supporto attraverso l’utilizzo di un duplicatore ad anello e morsetti a ginocchiera. Una termocoppia di superficie è stata posta sulla superficie posteriore del pannello di prova montato, e l’aumento di temperatura è stato registrato nel tempo. Termocoppie supplementari sono state montate a lastre di alluminio e collocate adiacenti al forno e nel forno, in modo che le temperature dell’aria nell’ambiente e nel forno potrebbero essere rispettivamente registrate.
La figura 2 mostra un campione di diagramma grafico dei dati generati per i pannelli centrali in poliuretano. Dati simili sono stati generati dal resto dei pannelli per i testi di estetica e scorrevolezza. Le temperature di stato stazionario variavano insieme con il tasso a cui è stata raggiunta la temperatura massima.
La tabella 5 riassume i dati di tutti i pannelli testati. Il substrato di base non modificato ha mostrato una temperatura massima di 125,4° F. I nuclei più performanti sono stati i ¾” schiuma di melamina Polydamp con una temperatura massima di 90,7° F, seguito dal ½” schiuma di melamina Polydamp con una temperatura massima di 95,5° F. Il terzo materiale che meglio ha passato questa prova è stato il ½”materiale non metallico a nido d’apecon un massimo di 97,7° F. I peggiori materiali nel test termico sono stati i pannelli ¼” metallichoneycomb –basedpanelse i Soric XF 2 mm cores, ognuno dei quali ha avuto temperature sopra 115° F.
Estetica e Scorrevolezza
Pannelli di base substrato speciali sono stati modificati con elementi di fissaggio, aste tassello che rappresentano fasci di fili e duplicatori prima di collegare i rivestimenti protettivi per determinare la capacità dei rivestimenti protettivi di mascherare le sottostanti caratteristiche geometriche. La rigidità della maggior parte dei rivestimenti protettivi era significativamente superiore rispetto ai pannelli di base sotto strato che ha prodotto una significativa deformazione del substrato di base senza trasferire la deformazione allo strato estetico esterno dei rivestimenti protettivi. Nessuna delle combinazioni analizzate ha completamente coperto gli scostamenti geometrici del pannello di base sotto strato senza qualche trasferimento in superficie.
I pannelli fabbricati per gli effetti diretti e indiretti dei fulmini sono stati esaminati visivamente in relazione alle anomalie sulla superficie dello strato esterno prima di essere sottoposti ai test per i colpi di fulmine. L’alta densità del metallic honeycomb core (7.9 pcf) è stata necessaria per non mostrare il modello di base in superficie. Pellicole senza adesivi sensibili a pressione (Halar e Kapton) hanno mostrato bolle e grinze come risultato del nastro di trasferimento usato. Tranne che per il 3M 5004, le pellicole erano trasparenti e di diversi colori e hanno reso difficile separare i fenomeni visivi da quelli fisici.
Prospettive future
Sulla base del lavoro svolto finora, i rivestimenti di protezione sembrano essere un concept possibile. Anche tra i materiali odierni (piuttosto che tra quelli che esisteranno nel 2030-2035) ne esistono alcuni che soddisfano l’impatto e i requisiti per gli effetti elettromagnetici. Il peso è una sfida costante. L’estetica sembra anch’essa una sfida importante: forse pellicole opache uniformi consentiranno di eliminare alcuni dei problemi estetici, ma probabilmente sarà molto difficile coprire imperfezioni della superficie sotto il rivestimento protettivo.
L’obiettivo della restante metà del programma è quello di utilizzare i risultati del test della prima generazione di pannelli per definire una seconda generazione (serie finale per il presente appalto) di rivestimenti STAR-C². Questi rivestimenti di seconda generazione saranno testati nuovamente per l’impatto, gli effetti elettromagnetici, l’estetica e la scorrevolezza al fine di verificare quanto bene i pannelli di seconda generazione soddisfano i requisiti. Sarà effettuato anche il collaudo acustico per convalidare che i rivestimenti protettivi siano in grado di assorbire il suono. Il risultato di questo programma di ricerca fornirà la prova della fattibilità del concept STAR-C² e le raccomandazioni per la NASA sulla ricerca di materiali futuri e lo sviluppo da parte di fornitori di materiali per sostenere il concept STAR-C².
di Mario Pierobon, Great Circle Services (Lucerne, Switzerland) e Camilla Carraro, studentessa di Ingegneria presso l’Università di Padova
