¿Cuánto más ligero sería un avión construido totalmente de fibra de carbono?

Gracias por la oportunidad de A2A.

Todavía estamos bastante lejos de poder construir un avión completamente de fibra de carbono.

La fibra de carbono tiene una gran resistencia a la tracción, pero hay “inconvenientes” en su uso como parte de una estructura compuesta general; Los problemas asociados con el daño por impacto y el costo de las reparaciones posteriores son los problemas más frecuentes.

Estamos encontrando más y más formas de mitigar los ‘inconvenientes’ o eliminarlos por completo mediante el desarrollo de mejores adhesivos, para constituir la matriz, mejores procesos y herramientas, para reducir el costo de fabricación y reparación y mejores métodos para llevar a cabo inspecciones durante el ciclo de vida del producto.

Como puede ver en la información proporcionada por Boeing, aunque el 787 tiene un 40% de piezas compuestas, el ahorro de peso se estima en un 20%. Sigue siendo un logro impresionante, pero sugiere que actualmente no podríamos reducir el peso de un avión más allá del 50% de uno que no utilizara compuestos de fibra de carbono u otros materiales compuestos similares.

Boeing 787 desde cero

Airbus afirma que el 53% del A350 XWB consiste en materiales compuestos pero no proporciona un número específico para el peso estimado ahorrado como resultado; analista de la industria sugiere que es alrededor del 20%, como es el caso del 787 de Boeing

Tecnología | Airbus, un fabricante líder de aviones

En conclusión:
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En respuesta a su pregunta, “No”, un avión, si pudiera estar hecho completamente de materiales compuestos reforzados con fibra de carbono, ciertamente no sería cerca de 16.5 veces más ligero, en comparación con si no hiciera uso de dichos materiales. De hecho, según la tecnología actual, un ahorro de peso del 40% es todo lo que podríamos esperar.

Si bien la fabricación aditiva nos permitirá adaptar futuros materiales compuestos, para darles propiedades que otros materiales poseen actualmente pero que carecen, aún no es probable que veamos ahorros en peso superiores al 50% en comparación con no utilizar dichos materiales.

Estoy de acuerdo con las respuestas que he visto hasta ahora, pero quiero plantear una desventaja a menudo ignorada de los aviones de fibra de carbono: qué hacer al final de su vida útil.

Los aviones de aluminio pueden reciclarse, al igual que las latas, pero no tenemos un método para reciclar aviones de plástico (fibra de carbono).

Un avión que pesa entre un 20% y un 50% menos puede ahorrar tanto combustible que el efecto neto es bueno, pero debemos mantener los ojos abiertos para el costo de toda la vida del avión.

Editar: Los primeros aviones, desde los planeadores, cometas y volantes motorizados de Wright, fueron aviones totalmente compuestos. 😉

¿No acabas de hacer una pregunta similar pero no específica de los aviones?

Antes de dar lo que podría pensar como una respuesta sarcástica, quiero calificarlo explicando cómo se hacen generalmente las piezas de compuesto de fibra de carbono (CF). Voy a omitir algunos pasos importantes pero aburridos para mayor claridad:

Primero, el hilo de carbono se coloca en paquetes de tamaños específicos, luego los paquetes se combinan para hacer la tela. La tela a menudo se sumerge en una solución adhesiva para crear una tela “preimpregnada”.

Esto se corta en las formas apropiadas y se aplica a un molde. No sería una gran hoja gigante cortada en la forma de la pieza, sino más bien una serie de piezas más pequeñas que permiten a la persona que realiza la colocación colocar la pieza en la dirección correcta para ocuparse de los problemas de fuerza.

Una vez que la estructura está hecha, la pieza a menudo se cubre con una sola pieza principalmente para la apariencia. Luego, el conjunto completo se coloca en otro molde, se sella y la unidad se cura a una temperatura y presión específicas.

Las piezas terminadas se verifican en busca de fallas y se lijan cuidadosamente para eliminar las cosas de aspecto asqueroso que pueden estar colgando, luego la parte se puede ensamblar en otras partes y poner un acabado.

Ahora a su pregunta:

La respuesta es no, lo siento.

Hay algunas cosas que simplemente no pueden estar hechas de FQ por una razón u otra e incluso si pudieran no es necesariamente la mejor opción. Por ejemplo, un remache o tornillo CF sería casi imposible de fabricar correctamente y, SI ES POSIBLE, no tendría la resistencia de una pieza de acero, aluminio o titanio.

¿Qué pasa con la tapicería? Artículos transparentes? ¿Espuma? ¿Llantas? ¿Electrónica? La lista continúa ad nauseum.

En cualquier caso, el compuesto de fibra de carbono NO es de ninguna manera (sus números) 16.5 veces más ligero y de ninguna manera, cuando se trata de construir estructuras tienen una resistencia a la tracción de 11.481 veces la de algún material que no mencionó … este último bit me hace sospechar que esto está comenzando a acercarse a la calidad troll.

¿Totalmente sin fibra de carbono? Pesaría exactamente 0 kg porque no existiría. Para que pueda usarse como material, debe usarse como material agregado, generalmente resina (también conocido como plástico)

Entonces, ¿cuánto pesaría un avión CFRP (plástico reforzado con fibra de carbono)? De nuevo, 0 kg. Necesita muchos otros materiales además del CFRP, como vidrio para ventanas, varios metales para la electricidad y la electrónica, y olvídese de fabricar un turbofan con CFRP. Y realmente odiaría aterrizar con neumáticos CFRP y trenes de aterrizaje.

Un avión hecho completamente de CFRP no es un motor de arranque. Lo mejor que puede esperar es reemplazar la mayor parte de la estructura posible con CFRP. Y si supiera la respuesta a esta pregunta, confía en mí, no se me permitiría escribirla aquí. Y ni siquiera estoy convencido de sacar la mayor parte de la estructura de CFRP, como lo han estado el B787 y el A350, en absoluto por cuestiones de seguridad, sino por la mayor dificultad de reparar una estructura de CFRP.

En algunos casos, pueden ser bastante ligeros.

Los planeadores están diseñados para un conjunto diferente de requisitos que otros tipos de aviones, pero aquí hay un ejemplo de un planeador de fibra de carbono:
http://windward-performance.com/

La foto a mitad de la página muestra al diseñador de velas sosteniendo el fuselaje en un hombro.

El planeador tiene una envergadura de 11 metros y pesa alrededor de 155 libras. Teniendo en cuenta el peso bruto de la cosa, el avión puede pesar fácilmente menos que el piloto:
http://windward-performance.com/

Este planeador es un caso especial, incluso en lo que respecta a planeadores. Consultaré a los ingenieros aeroespaciales sobre cuánto más ligero sería que un diseño similar hecho de fibra de vidrio convencional: una buena parte del ahorro de peso del Sparrowhawk proviene de su pequeño tamaño y relativa simplicidad, en lugar de la elección de materiales del diseñador. ¡Pero el diseñador reunió todo eso de una manera notable!

Los CubCrafters fabrican una versión “Carbon Cub” de fibra de carbono del Piper Cub. Pesa 896 libras. Su versión sin carbono del Piper Cub (Top Cub) pesa 1200 libras, sin embargo, tiene otros factores que hacen que no sea una comparación de manzanas con manzanas. (El Carbon Cub está diseñado para adaptarse a las limitaciones de Light Sport Aircraft (LSA), lo que significa que tiene una restricción de peso bruto máximo de despegue que no se aplica al Top Cub no LSA, por ejemplo).

La cuestión del peso de la aeronave es crítica para el valor general y el rendimiento. La fibra de carbono es una mejor construcción que otros materiales compuestos para este propósito, como la fibra de vidrio. Sin embargo, el peso mínimo de cualquiera de las formas de estructura compuesta es muy pesado en comparación con todos los demás medios para construir fuselajes que incluyen madera, tubos de acero y láminas de aluminio.

Las estructuras compuestas son ideales cuando la carga total en las estructuras es alta. Esto sucede con aviones muy grandes o de muy alto rendimiento. Para planos pequeños, la estructura compuesta no es una muy buena opción, sin importar qué fibra se use para formar el compuesto. La gran excepción a esta regla es la construcción de hidroaviones que deben resistir el agua salada donde los compuestos de cualquier tipo funcionan mejor que otros materiales.

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