A Era dos Compósitos na fabricação das aeronaves

A utilização de compósitos na construção de aviões é datada da Segunda Guerra Mundial, quando a fibra de vidro foi usada nas fuselagens do B-29. No final dos anos 1950, os fabricantes europeus de planador de alto desempenho já usavam a fibra de vidro como material para as estruturas primárias.

Em 1965, a Federal Aviation Administration (FAA) certificou uma aeronave de fibra de vidro pela primeira vez na categoria normal, era um planador suíço chamado HBV Diamant. Cerca de quatro anos mais tarde, um avião monomotor para quatro lugares feito por esse método de construção também foi certificado na categoria normal.

Em 2005, mais de 35% dos novos aviões fabricados nos Estados Unidos foram construídos com materiais compostos.

Compósito é um termo amplo e pode significar materiais como fibra de vidro, fibra de carbono, tecido de Kevlar® e misturas de todas as opções anteriores. A construção com materiais compostos oferece duas vantagens: revestimento de design extremamente suave e aerodinâmico e a capacidade de facilmente criar soluções para complexas estruturas curvas ou aerodinâmicas.

CompósitosAeronave em material compósito

 Os materiais compósitos são reforçados com fibra pelo sistema de matriz. A matriz é a “cola” usada para manter as fibras unidas e, quando curada, dá a ela a sua forma, mas são as fibras que suportam a maior parte da carga estrutural.

Há muitos tipos diferentes de fibras e de sistemas matriciais. No avião, o mais comum é a matriz de resina epóxi, que é um tipo de termofixo. Em comparação com outras opções, tais como resina de poliéster, o epóxi é mais forte e tem boas propriedades de alta temperatura.

Há muitos tipos diferentes de epóxi disponíveis, com uma vasta gama de propriedades estruturais, tempos de cura, temperaturas e custos. As fibras mais comuns de reforço usado na construção de aeronaves são a fibra de vidro e a fibra de carbono.

A fibra de vidro tem boa resistência à tração e compressão, boa resistência de impacto e é fácil de trabalhar. É relativamente barata e facilmente encontrada. Sua principal desvantagem é que ela é relativamente pesada, e dificilmente se consegue fazer uma estrutura de fibra de vidro mais leve do que uma estrutura de alumínio num projeto equivalente.

A fibra de carbono é, geralmente, mais forte e mais resistente à tração e compressão do que a fibra de vidro, além de maior capacidade de flexão. Também é consideravelmente mais leve que a fibra de vidro.

No entanto, ela é relativamente pobre em resistência ao impacto. As fibras são frágeis e tendem a quebrar-se sob forte impacto. Isso pode ser aprimorado com a utilização de um “robusto” sistema de resina epóxi, tal como usado nos estabilizadores horizontal e vertical do Boeing 787.

A fibra de carbono é mais cara do que fibra de vidro, mas seu preço tem caído devido às inovações impulsionadas pelo vários programas de desenvolvimento de aeronaves que utilizam este material. Quando muito bem projetada, uma estrutura de fibra de carbono pode ser significativamente mais leve do que uma estrutura de alumínio equivalente, reduzindo em até 30% seu peso.

A construção de aeronaves com material compósito oferece diversas vantagens sobre o metal, madeira ou tecido, sendo seu peso o mais citado. Mas a vantagem do baixo peso nem sempre é automática. A construção de uma estrutura de aeronave em compósitos não é garantia que será mais leve. Isso vai depender da estrutura projetada, bem como do tipo de composto a ser utilizado.

A vantagem mais importante é que o uso de compósitos permite a fabricação de estruturas de formas suaves e curvas aerodinâmicas, o que resulta em significativa diminuição do arrasto. Essa foi a principal razão para que projetistas de planador mudassem de metal e madeira para compósitos em 1960.

Nos aviões, a utilização de compósitos reduziu o arrasto como, por exemplo, na linha de aeronaves Cirrus e Columbia, levando à sua alta performance, apesar de seu trem de pouso ser fixo. Compósitos também ajudaram a mascarar a identificação de radar das aeronaves militares de concepções “stealth” ou invisível.

A terceira vantagem dos compósitos é não estar sujeito à corrosão. A Boeing projetou e está fabricando o 787, com sua fuselagem toda em material composto, para obter um maior diferencial de pressão de cabine e maior umidade relativa do ar na cabine dos aviões, de modo a oferecer melhor conforto aos passageiros.

Os engenheiros não estão mais preocupados com a corrosão provocada pela condensação da umidade sobre as áreas escondidas dos revestimentos da fuselagem. Isso deve contribuir para a redução dos custos de manutenção a longo prazo.

Compósitos 1

Materiais empregados no Boeing 787

Outra vantagem dos compostos é o seu bom desempenho em um ambiente de flexão, como nas lâminas de rotor de helicóptero. Compósitos não sofrem de fadiga nem desenvolvem microrrachaduras, como o metal. Por isso as pás do rotor produzidas com compósitos podem ter uma vida consideravelmente mais longa do que as lâminas de metal.

A construção em compósitos vem com seu próprio conjunto de desvantagens também, a mais importante das quais é a falta de prova visual de dano. Compósitos respondem ao impacto de modo diferente de outros materiais estruturais e, frequentemente, não se encontra nenhum sinal óbvio de dano.

Por exemplo, se um carro, ao manobrar, encostar em uma fuselagem de alumínio, pode provocar uma mossa ou deformação no local. Se não houver nenhuma deformação visível, então, não houve nenhum dano. Nas estruturas metálicas, se a fuselagem é prejudicada, o dano é visível e os reparos a serem feitos são facilmente determinados.

Em uma estrutura em compósito, um impacto de baixa energia, tais como uma colisão ou uma queda de ferramenta, pode não deixar qualquer sinal visível do impacto sobre a superfície, mas debaixo do local do impacto pode haver de laminações extensas, espalhando-se em uma área em forma de cone, a partir do local do impacto.

Os danos no outro lado da estrutura podem ser significativamente importantes, mas podem não estar a vista. Nesses casos, por menor que seja o impacto sofrido pela estrutura, é melhor chamar um inspetor familiarizado com materiais compósitos para examiná-la e determinar o dano subjacente.

Um impacto energético médio resulta em locais de esmagamento da superfície, que deve ser visível a olho nu, mas também, nesse caso, a área danificada é muito maior que a área de dano visível. Quanto a um impacto de alta energia, como uma colisão com pássaros ou granizo durante o voo, o resultado será uma estrutura bastante danificada. O potencial dano por calor para a resina é outra desvantagem do uso de compósitos.

Apesar do limite de temperatura depender do sistema da resina empregada, os epóxis começam a enfraquecer acima de 66°C. A pintura branca em compósitos é frequentemente usada para minimizar esse problema. Por exemplo, a parte inferior de uma asa que é pintada de preto, pode chegar a atingir 100°C, em um pátio de asfalto num dia quente e ensolarado.

Na mesma condição, a mesma estrutura pintada de branco raramente excederá os 60°C. Por isso, os aviões de material composto têm recomendações específicas sobre as cores permitidas da pintura.

Além disso, decapantes químicos são muito prejudiciais para materiais compósitos, e não devem ser usados sobre eles. Se houver necessidade de remoção de tinta, ela só deverá ser feita por meio de métodos mecânicos. Muitas peças caras de material composto foram arruinadas pelo uso de decapantes e, pior ainda, tais danos geralmente não são passíveis de reparação.

Alguns operadores são preocupados com derramamento de combustível, óleo, fluido hidráulico ou outros líquidos sobre superfícies compostas. Esse, de modo geral, não é um problema para os compósitos modernos, usando resina epóxi. Normalmente, se o vazamento não ataca a pintura, ele não vai afetar o compósito subjacente.

A proteção às descargas elétricas é uma consideração importante no projeto do avião. Quando um avião é atingido por um raio, uma quantidade muito grande de energia é entregue à estrutura. Tanto num pequeno avião da aviação geral como em um de grande porte, o princípio básico de proteção contra descargas atmosféricas é o mesmo.

Para o tamanho de qualquer aeronave, a energia da descarga deve ser espalhada por uma grande área, para diminuir a quantidade de ampères por centímetro quadrado a um nível inofensivo. Se um raio atinge um avião de alumínio, a energia elétrica, naturalmente, é conduzida facilmente por meio da estrutura metálica. O revestimento exterior da aeronave é o caminho de menor resistência.

Em uma aeronave de compósitos, a fibra de vidro é um excelente isolante elétrico, enquanto a fibra de carbono conduz eletricidade, mas não tão facilmente como o alumínio. Portanto, uma condutividade elétrica adicional precisa ser adicionada à camada externa do revestimento.

Isso é feito tipicamente com malhas finas do metal ligado à superfície do revestimento. Alumínio e malha de cobre são os dois tipos mais comuns, com o alumínio usado em fibra de vidro e cobre em fibra de carbono.

Nas últimas décadas, desde a Segunda Guerra Mundial, os compósitos têm ganho um papel importante no projeto da estrutura da aeronave. Sua flexibilidade de design e resistência à corrosão, bem como as relações de alta resistência-peso possível, sem dúvida, continuarão a contribuir para a criação de projetos de aeronaves mais inovadoras no futuro.

Do pequeno Cirrus SR- 20 aos gigantes Boeing 787 e Airbus A380, fica evidente que o uso dos compósitos tem encontrado um lugar na construção de aeronaves, e estão aqui para ficar.

Via Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge

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