I- GIỚI THIỆU CHUNG
Phương tiện bay không người lái (UAV) hay máy bay không người lái (là thiết bị bay không có phi công trên buồng lái. Thiết bị bay không người lái (UAV) là bộ phận cấu thành của một hệ thống máy bay không người lái (UAS or unmanned aircraft system), một hệ thống bao gồm một máy bay không người lái, một kiểm soát viên mặt đất, và một hệ thống liên lạc giữa UAV và kiểm soát viên. Các chuyến bay của UAV có thể vận hành với nhiều mức độ tự chủ khác nhau: hoặc dưới sự điều khiển từ xa bởi một một người vận hành, hoặc tự động bởi máy tính dựa vào một hệ thống tự động.
Máy bay không người lái đã trở thành thiết bị quân sự tiêu chuẩn, tạo ra một mạng lưới toàn cầu gồm các đơn vị, căn cứ và địa điểm thử nghiệm. Các chiến trường ở Ukraine, Syria và Yemen, cũng như các khu vực có tính chất địa chính trị như Vịnh Ba Tư và Biển Hoa Đông, ngày càng đông đúc với các máy bay không người lái có kích thước và độ tinh vi khác nhau. Cho dù chúng được sử dụng để thu thập thông tin tình báo, các cuộc tấn công trên không, bắn pháo hay chiến tranh điện tử, máy bay không người lái là yếu tố đóng góp hàng đầu cho sự thay đổi tính chất của chiến tranh hiện đại. Máy bay không người lái quân sự đã được triển khai trên khắp thế giới trong nhiều hoạt động khác nhau, bao gồm các nhiệm vụ chống khủng bố và chống nổi dậy, gìn giữ hòa bình, an ninh biên giới, chống cướp biển, chống ma túy, chống buôn lậu, chống khủng bố và bảo vệ môi trường [5].
Ít nhất 10 quốc gia như Azerbaijan, Israel, Iraq, Iran, Nigeria, Pakistan, Thổ Nhĩ Kỳ, UAE, Anh và Hoa Kỳ được cho là đã sử dụng UAV để thực hiện các cuộc không kích.
Hơn 30 quốc gia khác đã mua hoặc đang trong quá trình mua máy bay không người lái có khả năng tiến hành các cuộc tấn công. Mặc dù nhiều máy bay không người lái có thể mang vũ khí tấn công, nhưng nhiều UAV được sử dụng chủ yếu để giám sát và phát hiện mục tiêu cho máy bay có người lái.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu các thông tin về máy bay không người lái và khả năng quân sự nói chung là khá khó khăn. Các chính phủ có mức độ minh bạch khác nhau và các nguồn thông tin có thể sai lệch hoặc lỗi thời.
1.1. Phân loại UAV [5]
Máy bay không người lái được The Drone Databook chỉ định phân loại từ loại I đến III phần lớn dựa trên trọng lượng tối đa của chúng: Loại I (dưới 150 kg), Loại II (150 đến 600 kg) và Loại III (hơn hơn 600 kg). Các phân loại này được rút ra từ Thỏa thuận tiêu chuẩn hóa của NATO 4670 (hướng dẫn của NATO về đào tạo người vận hành máy bay không người lái).
Hình 1. Phân loại UAV theo Drone Databook [5]
Loại I: gồm các thiết kế khác nhau, từ các máy bay không người lái cầm tay nhỏ đến các hệ thống đa chức năng lớn hơn. UAV loại I điển hình có thời gian hoạt động từ 1 đến 3 giờ, tầm bay tối đa khoảng 80 km, trọng tải 5 kg và tốc độ tối đa 100 km/giờ. UAV loại I được phóng bằng tay hoặc ray khí nén và thường được trang bị cảm biến điện quang và hồng ngoại. Loại I bao gồm cả UAV cánh quay và UAV cánh bằng. Phần lớn các UAV loại I được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ trinh sát và giám sát và thường không mang theo vũ khí. Một số UAV có thể mang các loại bom, đạn được trang bị một đầu đạn nổ nhỏ.
Loại II: thuộc loại UAV chiến thuật. Một chiếc UAV loại II điển hình có thời gian hoạt động trong 10 giờ, tầm bay tối đa từ 100 đến 200 km, trọng tải lên đến 70 kg và tốc độ tối đa 200 km/h. UAV loại II khi cất, hạ cánh thường cần một đường băng nhỏ để cất hoặc hạ cánh. UAV loại II có thể được trang bị nhiều thiết bị như cảm biến điện quang và hồng ngoại, thiết bị định danh laze hoặc đèn chiếu sáng để xác định mục tiêu và thiết bị chuyển tiếp thông tin liên lạc. UAV loại II có một số mẫu có thể được trang bị vũ khí hạng nhẹ, điển hình là tên lửa dẫn đường không.
Loại III: đôi khi được gọi là UAV – MALE (medium-altitude long-endurance) hoặc UAV – HALE (high-altitude long-endurance). UAV loại III điển hình có thời gian bay lên đến 24 giờ hoặc hơn, tải trọng hàng trăm kilogam và tốc độ tối đa lên đến 300 km/giờ hoặc hơn. Một số UAV loại III có thể hoạt động ở phạm vi vài nghìn km hoặc hơn, điều này phụ thuộc vào thiết bị thông tin liên lạc được sử dụng. UAV loại III cần có đường băng để cất và hạ cánh. UAV loại III có khả năng mang nhiều loại vũ khí, mặc dù một số UAV thuộc lớp này được thiết kế chỉ để thu thập thông tin tình báo.
Trong các ứng dụng quân sự, một máy bay chiến đấu không người lái (UCAV) có thể mang vũ khí của máy bay như tên lửa để thực hiện các cuộc tấn công bằng máy bay không người lái. Ví dụ, X-47B có sải cánh 18,9 m, phạm vi hành trình 3889 km và trọng lượng cất cánh tối đa 20 tấn, và nó có thể mang trọng tải 2 tấn.
Phân loại theo nguyên lý hoạt động, UAV có thể được phân thành các loại: UAV cánh cố định (cánh bằng), UAV cánh quay đa năng, trực thăng không người lái, UAV cánh dù và UAV cánh cụp, tùy theo loại cánh của chúng. Hiện nay, UAV cánh cố định và UAV nhiều cánh quay chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng quân sự và dân sự. Các UAV cánh cố định có thể bay dài hơn, trọng tải lớn, độ ổn định cao và khả năng thích ứng cao do đó được sử dụng rộng rãi hơn trong lĩnh vực quân sự. Mặt khác, UAV nhiều cánh quay có đặc điểm là chi phí thấp, vận hành đơn giản, nhẹ, cơ động và ổn định khi bay và thường được sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng dân sự Ngoài ra, UAV có thể được phân loại thành các loại quy mô nhỏ, vi mô và nano theo kích thước của chúng, và các loại tốc độ thấp, cận âm, xuyên âm, siêu thanh và siêu âm theo tốc độ bay của chúng [15].
1.2. Thiết kế và một số vật liệu cơ bản trên UAV
1.2.1. Cấu trúc cơ bản của UAV
Hệ thống UAV gồm các thành phần chính như: Thân UAV (cánh, khung, vỏ, hệ thống càng hạ cánh,…), hệ thống thu phát tín hiệu, các thiết bị cảm biến (cảm biến tốc độ gió, cảm biến độ cao, cảm biến áp xuất, cảm biến cân bằng,..), trạm điều khiển mặt đất, động cơ, các loại pin,…
Về thân vỏ của UAV gồm một số chi tiết cơ bản sau:
– Khung: Khung giống như bộ xương của máy bay nhằm liên kết các bộ phận lại với nhau.
– Vỏ: Nhằm bảo vệ các bộ phận của thiết bị, đảm bảo tính thẩm mỹ đôi khi còn nhằm cải thiện mặt khí động của thiết bị.
– Càng hạ cánh: Càng hạ cánh thường không có bánh xe như ở các máy bay thông thường nhằm tránh việc chúng di chuyển và giảm trọng lượng thiết bị, càng có thể được lắp đặt hoặc tháo dời. Ở một số UAV, càng khi được lắp có thể gặp lại khi bay. Một số UAV cỡ lớn sử dụng càng hạ cánh có bánh xe.
1.2.2. Xu hướng thiết kế, chế tạo UAV bằng vật liệu compozit
Máy bay không người lái có xu hướng nhỏ hơn máy bay thông thường và với dung tích nhiên liệu hạn chế, thời gian bay của chúng có xu hướng thấp hơn đáng kể so với các máy bay có người lái. Vấn đề còn trở nên lớn hơn khi xem xét trọng tải của UAV, có thể bao gồm việc mang theo các thiết bị trinh sát, thu nhận tín hiệu, vũ khí (tên lửa địa, bom,..).
Để cải thiện điều này, việc giảm trọng lượng của UAV là điều tối quan trọng. Mặc dù hầu hết các máy bay ngày nay đều được làm từ nhôm (ví dụ:nhôm 6061-T6), nhưng các vật liệu compozit như vật liệu làm từ sợi carbon, sợi thủy tinh và Kevlar,…đang có xu hướng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp máy bay [4,6,7,8]. Do đó, vật liệu compozit đóng vai trò trung tâm trong việc thiết kế và sản xuất máy bay không người lái.
1.3. Giới thiệu về mẫu UAV Bayraktar TB2
Bayraktar TB2 là hệ thống máy bay không người lái (UAV) chiến thuật tầm trung và tầm xa (MALE) do Baykar Makina sản xuất cho Lực lượng vũ trang Thổ Nhĩ Kỳ. UAV chiến thuật Bayraktar được phát triển bởi Kale Baykar JV, một liên doanh của Baykar Makina và Kale Group. UAV là một nền tảng lý tưởng để thực hiện các nhiệm vụ do thám và tình báo. Bayraktar TB2 đạt được cột mốc 200.000 giờ bay hoạt động vào tháng 6 năm 2020, trở thành phương tiện bay được chế tạo trong nước đầu tiên đạt được kỳ tích.
Bayraktar TB2 có thiết kế liền khối tích hợp cấu trúc đuôi chữ V ngược. Thân máy bay được làm bằng sợi carbon, Kevlar và vật liệu tổng hợp lai, trong khi các phân đoạn khớp tạo thành các bộ phận nhôm được gia công bằng máy tính điều khiển số (CNC) chính xác. Động cơ được đặt giữa đuôi và nhiên liệu được tích trữ trong các bình chứa. Mỗi hệ thống Bayraktar TB2 bao gồm sáu thiết bị bay trên không, hai trạm điều khiển mặt đất (GCS), ba thiết bị đầu cuối dữ liệu mặt đất (GDT), hai thiết bị đầu cuối video từ xa (RVT) và thiết bị hỗ trợ mặt đất.
UAV có chiều dài 6,5m, sải cánh 12m và trọng lượng cất cánh tối đa 650kg.
Hệ thống điện tử hàng không Bayraktar TB2 và trọng tải
UAV được trang bị một bộ thiết bị điện tử hàng không tích hợp bao gồm các đơn vị, bao gồm bộ vi điều khiển, điều khiển động cơ, điều khiển công suất động cơ servo, xử lý tín hiệu động cơ và các thiết bị nhận I/O, GPS, cảm biến tĩnh Pitot, máy đo độ cao laser và mô-đun cảm biến alpha beta, cũng như cảm biến tốc độ, nhiệt độ và mức nhiên liệu. Bayraktar TB2 UAV có khả năng mang trọng tải 150kg và hoạt động cả ngày lẫn đêm.
Điều khiển và điều hướng bay:
Hệ thống kiểm soát chuyến bay dự phòng cho phép các hoạt động bay, cất cánh, điều hướng, hạ cánh và dùng tự động mà không cần sự hỗ trợ từ bất kỳ cảm biến bên ngoài nào. Kiến trúc tổng hợp cảm biến sử dụng các kỹ thuật điều khiển phi tuyến tính hiện đại đảm bảo khả năng điều khiển và dẫn đường tốt cho UAV. Chiếc UAV không người lái cũng có khả năng sử dụng chế độ bán tự động trong các nhiệm vụ.
Hình 2. UAV Bayraktar TB2
Trạm điều khiển mặt đất Bayraktar TB2:
Bayraktar TB2 UAV được điều khiển bởi một trạm điều khiển mặt đất dựa trên đơn vị trú ẩn di động ACE-III thông số kỹ thuật của NATO. Mô-đun tích hợp các bảng điều khiển thí điểm, người vận hành tải trọng và khai thác hình ảnh. Hệ hống được trang bị bộ điều hòa không khí, hệ thống lọc NBC, bộ cấp nguồn, hệ thống không dây và hệ thống thông tin liên lạc nội bộ,…
Động cơ và hiệu suất của UAV chiến thuật:
Máy phát điện tích hợp một động cơ đốt trong 100 mã lực dẫn động một cánh quạt hai cánh biến thiên. UAV chiến thuật có tầm hoạt động hơn 150 km và có thể bay ở độ cao tối đa 27.030 ft. Nó có tốc độ tối đa nằm trong khoảng từ 70 kt đến 120 kt và độ bền trong 27 giờ.
- VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG CHẾ TẠO UAV VÀ THIẾT BỊ HÀNG KHÔNG
2.1. Vật liệu compozit [1,2,3,6]
Nhu cầu gia tăng về khả năng chịu tải và hiệu suất của máy bay không người lái đã khiến ngành công nghiệp chuyển sang sử dụng vật liệu compozit để chế tạo cấu trúc máy bay không người lái, trong đó polyme gia cố bằng sợi carbon (CFRP) hiện là vật liệu chính được sử dụng trong chế tạo khung máy bay UAV. Vật liệu compozit CFRP sử dụng nhựa nhiệt rắn, kết hợp với sợi carbon làm thành phần cấu trúc chính làm cho vật liệu nhẹ cứng hơn khi so sánh với kim loại. Một cấu trúc làm bằng thép sẽ nặng hơn khoảng 5 lần so với một cấu trúc có cùng độ bền được làm từ CFRP. Tuy nhiên, vật liệu có tính dẫn điện nên không thích hợp cho một số ứng dụng nhất định. Vật liệu compozit kevlar / epoxy đã được sử dụng trong chế tạo cánh quạt vì nó nhẹ hơn CFRP. Hệ compozit này được ứng dụng để chế tạo UAV 4 cánh quạt. Vì tỉ trọng thấp. quán tính của cánh quạt giảm, do đó làm giảm độ rung, giúp UAV ổn định hơn trong quá trình bay.
Trong ngành hàng không vũ trụ và ngay từ những năm 1940, polyme gia cường sợi thủy tinh (GFRP) đã được ứng dụng trong chế tạo thân máy bay. Vào đầu những năm 1960, vật liệu compozit được sử dụng ở để chế tạo cánh và thân máy bay AV-8B Harrier, đuôi của máy bayA-320, cũng như các máy bay quân sự khác như Eurofighter 2000.
Gần đây, Airbus đã tăng cường sử dụng vật liệu compozit (chiếm 25% trong máy bay A380 và lên đến 53% trên máy bay A350 XWB). Hãng Boeing cũng ứng dụng vật liệu compozit với 12% cấu trúc của 777 được làm bằng vật liệu compozit và hiện nay chiếc máy bay 787 đã sử dụng tới 50% vật liệu vật liệu compozit. Điều này làm giảm 20% trọng lượng của 787 và giảm bảo trì theo lịch trình do giảm nguy cơ ăn mòn và mệt mỏi.
Ưu điểm lớn nhất của việc sử dụng vật liệu compozit là trọng lượng máy bay thấp hơn (vật liệu compozit có độ bền cao hơn, nhưng nhẹ hơn nhôm). Việc giảm trọng lượng này sẽ giúp máy bay tiết kiệm nhiên liệu hơn. Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao (độ bền riêng) là một lợi thế khác của vật liệu compozit và kết quả là nó bền hơn các kim loại khác được sử dụng trong sản xuất máy bay. Do đó, chúng có thể chống lại tải trọng nén và không dễ bị gãy trong điều kiện ứng suất cao.
Compozit là vật liệu được tạo thành từ hai hoặc nhiều thành phần có các tính chất vật lý hoặc hóa học khác nhau. Khi các vật liệu này được kết hợp với nhau, vật liệu mới có đặc tính khác với các thành phần riêng lẻ. Nhưng hai hoặc nhiều vật liệu kết hợp vật liệu compozit không được nóng chảy lẫn vào nhau. Có một số hệ compozit nền nhựa cụ thể như sau:
– Compozit sợi thủy tinh (GPRP);
– Compozit sợi gốm liên tục (CFCC);
– Compozit sợi carbon (CFRP);
– Compozit sợi aramid (AFRP).
Những vật liệu này đã được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ như một vật liệu mới vì những ưu điểm sau:
– Trọng lượng nhẹ: Nhẹ hơn thép gấp 5 lần, có nghĩa là tiêu thụ ít điện năng hơn, giảm ăn mòn và chi phí.
– Độ cứng cao, độ bền cao,..
– Ít bộ phận: do có thể chế tạo liền khối nên cấu trúc có thể ít bộ phận hơn giúp làm giảm các ứng suất căng trong cấu trúc thân, vỏ,…
Hình 3. Vật liệu sử dụng trong ngành công nghiệp máy bay 1985-2014 [10]
Vật liệu tốt nhất cho máy bay là những vật liệu có đặc tính riêng cao (tính chất cơ học /tỷ trọng). Kim loại nhẹ như nhôm và titan là vật liệu máy bay phổ biến truyền thống. Hiện nay, vật liệu mới như compozit sợi thủy tinh hoặc sợi carbon đang dần thay thế do các ưu điểm vượt trội. So sánh giữa tỷ trọng của hợp kim nhôm và nhựa gia cường sợi thủy tinh, chúng ta thấy rằng khối lượng riêng tương ứng là 2700 và 1700 kg/m3.
Các ứng dụng của vật liệu tổng hợp trên máy bay bao gồm
– Cấu trúc cánh chính, cánh quạt
– Cấu trúc thân UAV (chóp, đuôi, các tấm cạnh trước và sau trên cánh …)
– Cấu trúc chính của khung máy bay
– Càng hạ cánh, các hệ thống treo, gá thiết bị
– Thành phần nội thất, dầm sàn và ván sàn,…
Hình 4. Một số chi tiết của UAV sử dụng vật liệu compozit
a- Cánh UAV TB-2 chế tạo bằng vật liệu compozit và
b-thiết bị hạ cánh UAV chế tạo từ vật liệu CFRP
Nhu cầu gia tăng về khả năng chịu tải và hiệu suất của máy bay không người lái đã khiến ngành công nghiệp chuyển sang một vật liệu compozit khác để chế tạo máy bay không người lái, trong đó polyme gia cố bằng sợi carbon (CFRP) hiện là vật liệu chính được sử dụng trong chế tạo khung máy bay UAV [4,11].
2.2. Vật liệu kim loại [9]
Trên UAV có sử dụng một số bộ phận làm từ hợp kim nhôm đúc như: T6061 T6 và A2024 T351. Cụ thể một số chi tiết như sau:
Hình 5. Một số bộ phận trên UAV TB-2 làm từ hợp kim nhôm đúc
a- Hệ thống điều khiển BUK-101, b- Hệ thống truyền động quay bề mặt
điều khiển BDS-W-040, c- Hệ thống phanh BLS -B-040, d- Hệ thống
truyền động Servo dự phòng kép BDS-208, e- Hệ thống truyền động Servo
quay BDS-008, f- Hệ thống truyền động tuyến tính bánh răng hạ cánh
BLS-L-040, g- Hệ thống truyền động quay bánh răng hạ cánh BDS-G-040
Hợp kim nhôm 6061 cũng được sử dụng trong chế tạo các bộ phận cánh và thân cho máy bay do khả năng gia công, tạo hình dễ dàng và có tính hàn tốt. Ngoài ra, có khả năng chống ăn mòn cao nhất trong số các hợp kim nhôm có qua xử lý nhiệt, có độ bền cao so với các seri nhôm hợp kim. Hợp kim nhôm A7075 được xem là vật liệu dành cho các ứng dụng cao cấp, máy bay, vũ trụ, quân sự, các động cơ chịu lực cao…Hợp kim có đặc tính độ bền cao, chịu được tác động lực tốt và có khả năng chống ăn mòn vết nứt. So với loại nhôm 6061 cũng khá phổ biến, nhờ chứa thành phần Zn cao hơn mà A7075 có sức bền, sức căng và khả năng chịu lực tốt hơn. Hợp kim nhôm A2024 được sử dụng rộng rãi nhất trong phát triển hàng không vũ trụ. Hợp kim có cường độ chảy cao và là hợp kim cao cấp có khả năng chống mỏi tuyệt vời. Nó thường được sử dụng ở dạng tấm cho cánh và thân máy bay. Tính chất của một số hợp kim nhôm có thể sử dụng trong chế tạo UAV được thể hiện trong bảng 1.
Bảng 1. Một số mác có thể sử dụng trong chế tạo UAV TB2.
2.3. Một số vấn đề trong kết cấu UAV
2.3.1. Vấn đề ghép nối vật liệu compozit trong UAV
Để liên kết các bộ phận, chốt cơ học, chất kết dính hoặc cả hai đều được sử dụng để kết hợp vật liệu compozit. Kỹ thuật nối được sử dụng trên một compozit cụ thể phụ thuộc vào ứng dụng và thành phần vật liệu. Ví dụ, vật liệu compozit được sử dụng trong UAV thường được kết hợp bằng sự kết hợp của dây buộc cơ học và chất kết dính, trong khi những vật liệu được sử dụng trong ô tô thường chỉ được kết hợp với chất kết dính. [4,13].
Về mặt lý thuyết, tất cả các vật liệu compozit đều có thể được kết dính. Tuy nhiên, nhiều nhà sản xuất tránh các liên kết kết dính nơi các khớp phải chịu một lượng lớn ứng suất; do đó, ốc vít vẫn được chỉ định cho nhiều mối nối. Ngoài ra, một số cấu trúc và thành phần quá lớn nên chúng ngăn cản việc sử dụng thiết bị đóng rắn và xếp lớp đặc biệt cần thiết cho hầu hết các ứng dụng kết dính, làm cho ốc vít tiết kiệm chi phí cho những trường hợp như vậy. [4,14]
Giải quyết vấn đề kết nối bằng việc thiết kế cấu trúc liền khối, sử dụng các hệ keo dán, chất kết dính, chất đổ khối, hệ đinh vít, dây buộc để liên kết các bộ phận.
2.3.1.Giải pháp chống sét cho UAV sử dụng vật liệu compozit
Sợi chống sét bằng nhôm khá dẫn điện và có thể tiêu tán dòng điện cao do sét đánh. Sợi carbon có điện trở suất gấp 1.000 lần nhôm so với dòng chảy hiện tại và nhựa epoxy có điện trở suất gấp 1.000.000 lần (tức là vuông góc với da).
Bề mặt của thành phần compozit bên ngoài thường bao gồm một lớp hoặc một lớp vật liệu dẫn điện để chống sét đánh vì vật liệu compozit dẫn điện kém hơn nhôm. Nhiều loại vật liệu dẫn điện khác nhau được sử dụng, từ vải graphit phủ niken đến lưới kim loại đến sợi thủy tinh được nhôm hóa để sơn dẫn điện. Các vật liệu này được tích hợp ngay trong quá trình chế tạo các kết cấu compozit [12].
III. GIỚI THIỆU MỘT SỐ MÁC VẬT LIỆU COMPOZIT ĐÃ ĐƯỢC NGHIÊN CỨU PHÙ HỢP VỚI CHẾ TẠO UAV VÀ CÁC THIẾT BỊ CỦA HÀNG KHÔNG
3.1. Các hệ vật liệu compozit có thể ứng dụng trong chế tạo UAV
3.1.1. Vật liệu nano compozit và compozit sợi cacbon [16,17]
Khi có mặt của ống nano cacbon ở hàm lượng 1 % (so với nhựa nền) thì tính năng cơ lý của vật liệu thay đổi đáng kể. Cụ thể: độ bền uốn, mô đun đàn hồi, độ bền kéo, mô đun uốn, độ bền va đập và độ cứng, tăng từ 14 đến 26 % so với mẫu không có ống nano cacbon. Như vậy, có thể khẳng định rằng ống nano cacbon có khả năng cải thiện được tính năng cơ lý của vật liệu compozit.
Thành phần chính của compozit gồm nhựa epoxy, chất đóng rắn, vải cacbon siêu bền, ống nano cacbon biến tính. Vật liệu có độ bền cơ học cao và hòa toàn có thể ứng dụng trong chế tạo các chi tiết của UAV.
Bảng 2. Tính năng cơ lý của vật liệu nano compozit
do Viện Hóa học – Vật liệu chế tạo
3.1.3. Compozit vải kevlar nền nhựa (AFRP)[20]
Các hệ vật liệu compozit tiên tiến sử dụng các loại sợi có độ bền cao như: Aramid (Kevlar , Nomex và Twaron), sợi aramid tráng nhựa nhiệt dẻo, làm cốt gia cường. Các sợi được dệt hoặc liên kết thành các tấm, sau đó được tính toánxếp thành nhiều lớp ở nhiều góc độ khác nhau nhằm tạo cho vật liệu có độ bền đẳng hướng. Bền nhựa có thể là các loại nhựa nhiệt dẻo hoặc nhiệt rắn có độ bền cao. Các loại nhựa nền phổ biến là: polyethylene trọng lượng phân tử siêu cao, polyamid, nhựa nhiệt rắn PVB-phenolic, polycacbonat. Nhựa phenolic/PVB được sử dụng rộng rãi làm chất nền, đặc biệt, đối với các loại giáp compozit sợi Kevlar và đã chứng minh độ bền vượt trội so với các loại nhựa nền khác như epoxy, polyeste,…
Bảng 3. Một số tính năng kỹ thuật của vật liệu compozit sợi Kevlar đã được nghiên cứu chế tạo
Vật liệu này có độ bền kéo cao, tỷ trọng nhỏ (độ bền riêng lớn hơn thép), có hệ số dãn nở nhiệt thấp, độ dẫn điện thấp, vật liệu có modul cao (cấu trúc cứng, vững, độ dãn dài nhỏ), độ dai chắc và độ ổn định kích thước tuyệt vời. Kevlar chống cắt, xé tốt, vật liệu chịu lửa và tự tắt nếu bắt cháy.
Các ứng dụng chủ yếu: Vật liệu compozit cho tên lửa, vòm che radar, làm các má phanh, bề mặt chịu ma sát, các tấm chắn đạn, giáp bảo vệ, vật liệu compozit cao cấp, bảng mạch in, mạch tích hợp cho khí tài điện tử, sợi cáp quang cho thông tin, truyền tín hiệu, hình ảnh, lốp chịu lực cao cho cất, hạ cánh cao tốc (phi cơ quân sự, tàu du hành), dây đai, ống dẫn truyền, curoa cao tốc,..
3.1.3. Một số vật liệu compozit sợi thủy tinh
Vật liệu polyme compozit (PC) có những ưu điểm chủ yếu: nhẹ, độ bền riêng cao, bền với môi trường, cách điện tốt, bền nhiệt trong giới hạn cho phép, thiết kế và quá trình công nghệ chế tạo ra sản phẩm thuận lợi, nên được phát triển sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao, trong đó có công nghệ chế tạo tên lửa. Vật liệu PC ứng dụng trong kĩ thuật tên lửa theo 3 chức năng chủ yếu làm vật liệu kết cấu được tập hợp trong, vật liệu bảo vệ nhiệt cho vỏ động cơ tên lửa nhiên liệu rắn và vật liệu chế tạo chóp anten rada. Đến nay, nhiều vật liệu PC trên cơ sở lựa chọn các nhựa nền và vật liệu tăng cường sợi (vải) đã được sử dụng chế tạo các loại chóp anten rada.
Thành phần gồm nhựa nền (Nhựa nền polieste không no, nhựa nền epoxy) và vật liệu tăng cường (vật liệu thủy tinh, vải polyester,..).
Tùy vào yêu cầu, mục đích sử dụng, đặc tính kỹ thuật của PC ta có thể sử dụng vật liệu kết cấu, chất kết dính, công nghệ gia công phù hợp
Vật liệu composite trong suốt điện từ được chế tạo trên cơ sở nhựa epoxy gia cường vải, sợi thủy tinh. Kết quả kiểm tra tính chất điện từ của vỏ chop: Hệ số tổn hao truyền qua và tổn hao phản xạ sóng điện từ dải tần 9,2÷9,6 GHz lần lượt là (93÷96)% và (1,2÷1,6)%, bảo đảm đáp ứng tốt chỉ tiêu kỹ thuật về tính chất sóng điện từ đối với chi tiết.
3.2. Vật liệu kim loại có thể ứng dụng trong chế tạo UAV
Đã nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt cho hợp kim nhôm A7075 (Mỹ) tương đương mác B95 (Nga), phôi tấm được nấu đúc tại Nhà máy thuộc Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng.
Đã nghiên cứu chế tạo một số hợp kim nhôm như sau:
– Hợp kim nhôm B95 sản xuất trong nước.
– Hợp kim nhôm chịu mặn Al27, ứng dụng chế tạo chi tiết trong môi trường chịu mặn.
– Hợp kim nhôm АМΓ- 6, ứng dụng chế tạo trục gá giãn nở nhiệt gắn ép vỏ cách nhiệt với vỏ động cơ.
Các mác nhôm A6061 và A2024 hoàn toàn làm chủ được khả năng chế tạo và xử lý nhiệt, cụ thể A6061 chế độ T6; A2024 chế độ T351.
3.4. Hệ thống trang thiết bị
3.4.1. Các thiết bị phục vụ nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm gia công vật liệu kim loại, gốm, sứ:
– Lò nung nhiệt độ cao HT16/18: Dùng để nung kim loại, vật liệu gốm sứ… Công suất 12 kW; Nhiệt độ nung cực đại 1800 oC.
– Lò ga gia nhiệt: Dùng để nung kim loại với nhiệt độ làm việc lên đến 600 oC ÷ 900 oC;
– Lò trung tần chân không ZG50: Dùng để nấu luyện hợp kim màu có độ sạch cao. Công suất 50 kg/mẻ hợp kim màu như hợp kim đồng, độ chân không từ thấp đến cao.
– Lò giếng RJ2-90-10: Dùng để ủ, tôi, ram kim loại, nhiệt độ nung đến 1050oC;
– Lò ống quay: Dùng để nung trộn đều vật liệu bột. Nhiệt độ làm việc ≤ 1100 oC, độ chính xác nhiệt độ: ±1 ºC; Tốc độ gia nhiệt: 0 – 10 ºC/phút.
– Máy ép thủy lực 40 tấn KT10: Dùng để ép vật liệu bột.
– Máy cán kim loại VN10: Dùng để cán tấm kim loại
– Máy trộn cát SHQ-60: dùng trộn cát để phục vụ đúc khuôn cát.
– Máy trộn 3D: dùng để trộn đều vật liệu bột; Khối lượng nạp 25kg/ mẻ; Thể tích nạp 40 lít; Tốc độ quay 0 – 14 vòng/phút.
3.4.2. Các trang thiết bị phục vụ chế tạo vật liệu compozit:
Hệ thống máy ép thuỷ lực có gia nhiệt để chế tạo phôi vật liệu compozit cacbon-cacbon 2D.
Hệ thống lò phân huỷ nhiệt và lắng đọng hoá chất từ pha hơi (đường kính ống lò nhiều kích cỡ)
Hệ thống lò graphit hoá có nhiệt độ đến 3000 oC (đang có tại Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam)
Thiết bị gia công cơ khí gồm: máy tiện; máy phay… (hiện có tại Trung tâm cơ khí chính xác/Viện KHCN quân sự).
– Thiết bị trộn hợp blend: Brabender plasticorder, Model 815807
– Máy ép thủy lực 500HF: Lực ép lớn nhất: 500 tấn, kích thước bàn ép: 1000×1000 (mm)
– Máy ép hai tầng: Lực ép lớn nhất: 200 tấn, kích thước bàn ép: 1000×1000 (mm).
3.4.3. Trang thiết bị phục vụ phân tích, đánh giá, thử nghiệm
– Thiết bị phân tích nhiệt: NETZSCH STA 409 PC/PG, Đức.
– Thiết bị phổ hồng ngoại TENSOR II hãng Bruker – Thiết bị phân tích nhiệt: STA 409 PC/PG (NETZSCH, Đức).
– Thiết bị phân tích AAS: Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS ContrAA700 (AnalytikJena/ Đức).
– Thiết bị phân tích XRD: D8 ADV (Brucker) – Thiết bị phân tích cỡ hạt: Phương pháp tán xạ lazer LS, thiết bị Horiba – 950 ( Nhật).
– Thiết bị đo cơ lý vạn năng: Lực kéo 100kN, hành trình kéo: > 1200 (mm)
– Thiết bị đo độ cứng (Shore D): Shore D Durometer Hardness Tester, Anh
– Máy soi kim tương, Đức.
– Máy đo tỷ trọng thực DMA4500M, Antonpaar, Áo.
– Máy đo tính năng điện môi DT-60-40-S-P-C, Sefelec, Pháp.
– Thiết bị phân tích cơ động lực DMA 800, Mỹ.
– Máy dò khuyết tật băng siêu âm UM-22L, Kraukramer, Đức.
– Máy dò khuyết tật AD-3213EX, Nhật.
– Máy đo thời gian tạo gel GELNORM ST/1, Gel Instrument, Thụy Sỹ.
KẾT LUẬN
UAV đang đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực an ninh – quốc phòng, đặc biệt tập trung trong lĩnh vực trinh sát và tấn công không người lái.
Vật liệu chế tạo UAV và thiết bị hang không chính là các hệ compozit và một số mác kim loại, hợp kim nhẹ, giúp giảm trọng lượng, tiết kiệm năng lượng.
Viện Hóa học – Vật liệu trong thời gian gần đây đã triển khai nhiều nghiên cứu về vật liệu compozit, vật liệu nano compozit và vật liệu kim loại-hợp kim. Với hệ thống trang thiết bị nghiên cứu và trang thiết bị công nghệ đang được đầu tư nâng cấp, cơ bản đáp ứng được yêu cầu nghiên cứu chế tạo vật liệu cho UAV và vật liệu cho ngành hàng không vũ trụ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Ernnie I. Basri et. al (2019), Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Structural and Manufacturing of Conventional and Humpback Tubercles Leading Edge (TLE) in Aeronautical Applications, International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE) ISSN: 2277-3878, Volume-8, Issue-1S5, June 2019.
- Yen-Chu Liang et. al (2021), Design and Manufacture of Composite Landing Gear for a Light Unmanned Aerial Vehicle, Sci., 11, 509.
- Ionuț Ciobanu et.al (2019), Manufacturing of a landing gear using composite materials for an aerial target, IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series
- Ahmed Elsayed Ahmed Jalal Eldin (2016), Composite Material Usage in Aircraft Structure, Thesis Submitted inPartial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Bachelor of Science. (BSc Honor), Sudan University of Science and Technology.
- Dan Gettinger (2019), The Drone DataBook, The Center for the Study of the Drone at Bard College.
- Alhammad (2021), Diagnosis of composite materials in aircraft applications: towards a UAV active thermography inspection approach, Thermosense: Thermal Infrared Applications XLIII,12-17 April 2021, Virtual Event, Volume 1174306.
- Zlatan Ramic (2021), Rapid prototyping with fiber composites –Manufacturing of an amphibious UAV, Master’s thesis, KTH Royal Institute of TechnologySchool of Engineering Sciences, Stockholm, Sweden.
- Cistriani, L. (2007), Falco UAV Low Reynolds Airfoil Design and Testing at Galileo Avionica, In UAV Design Processes/Design Criteria for Structures Meeting Proceedings RTO-MP-AVT-145, Paper 3.3. Neuilly-sur-Seine, France: RTO. (pp. 3.3-1 – 3.3-24).
- Tolga Vergün (2019), Rib Spacing Optimization of a Generic UAV Wing to Increase the Aeroelastic Endurance, 4th International Symposium on Innovative Approaches in Engineering and Natural Sciences, November 22-24, 2019, Samsun, Turkey.
- Statista Distribution of composite materials used in commercial aircraft manufacturing worldwide from 1985 to 2014. https://www.statista.com/statistics
/954913/share-composites-in-aircraft-design/#statisticContainer.
- Boeing, 2014. Available at: www.boeing.com/boeing/commercial [Accessed
February2014 - Herbertsson, J., 1999. Enterprise Oriented Design for Manufacture – On the adaption
and application of DFM in an enterprise. PhD thesis, Linkoping: Linkopings Universitet. - Rizos DD, Fassois SD, Marioli-Riga ZP, Karanika AN. Vibration-based skindamage statistical detection and restoration assessment in a stiffened aircraftpanel. MechSyst Signal Pr 2008;22:315–37.
- Ratcliffe C, Heider D, Crane R, Krauthauser C, Yoon MK, Gillespie
Investigation into the use of low cost MEMS accelerometers for vibrationbased damage detection. Compos Struct 2008;82:61–70. - Bowen Zhang et. al. (2022), Overview of Propulsion Systems for Unmanned Aerial Vehicles, Energies , 15, 455.