Έξυπνα υλικά στην αεροναυπηγική

Abstract

Η ανάπτυξη έξυπνων υλικών, ή καλύτερα έξυπνων συστημάτων, βασίζεται στην αξιοποίηση των λειτουργικών ιδιοτήτων μιας σειράς υλικών με κυριότερους εκπροσώπους τα υλικά με μνήμη σχήματος, τα μαγνητο/ηλεκτρορεολογικά υλικά και τα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία. Το επιστημονικό και τεχνολογικό πεδίο των “έξυπνων υλικών” επιχειρεί να αναπτύξει συστήματα υλικών των οποίων η επιτυχία δε θα βασίζεται στην εκπλήρωση πολύ υψηλών και σταθερών προδιαγραφών, αλλά στη δυνατότητα ελεγχόμενης μεταβολής της συμπεριφοράς τους. Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη των έξυπνων υλικών που χρησιμοποιούνται στην Αεροναυπηγική. Για τον λόγο αυτό τα τρία πρώτα κεφάλαια της εργασίας αφιερώθηκαν στην εκτενή ανάλυση των έξυπνων υλικών, ενώ στο τελευταίο κεφάλαιο έγινε ανάλυση των εφαρμογών των έξυπνων υλικών στην Αεροναυπηγική. Στη συνέχεια δίνεται μια συνοπτική περιγραφή της διάρθρωσης της παρούσης εργασίας. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται λόγος για τα έξυπνα (ευφυή) υλικά. Ως έξυπνα υλικά αναφέρονται συστήματα που έχουν την ικανότητα να μεταβάλλουν τη συμπεριφορά τους ή ορισμένα χαρακτηριστικά τους (σχήμα, ιδιοσυχνότητα, συντελεστή απόσβεσης δονήσεων και άλλα) με δεδομένο και ελεγχόμενο τρόπο, εξ’ αιτίας μιας διέγερσης. Τα συστήματα αυτά ενσωματώνουν αισθητήρες και ενεργοποιητές, οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους με έναν κατάλληλο βρόχο ελέγχου. Στο ίδιο κεφάλαιο αναφέρονται τα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αισθητήρες και ενεργοποιητές και οι τύποι τους, τα είδη ελέγχου που έχουν επιτευχθεί, καθώς και εφαρμογές των έξυπνων συστημάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται οι κατηγορίες και τα είδη των έξυπνων υλικών. Τα έξυπνα υλικά χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: Τύπου Ι και Τύπου ΙΙ. Έξυπνα υλικά Τύπου Ι είναι εκείνα τα οποία μεταβάλουν μία ή περισσότερες από τις ιδιότητες τους, ενώ έξυπνα υλικά Τύπου ΙΙ είναι εκείνα στα οποία παρατηρείται μετασχηματισμός ενέργειας από μία μορφή σε μία άλλη. Σε αυτό το κεφάλαιο αναλύονται επίσης τα χαρακτηριστικά κάθε είδους έξυπνου υλικού, και αναφέρονται εφαρμογές αυτών σε βιομηχανικά προϊόντα. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται οι τρόποι με τους οποίους παρασκευάζονται ορισμένες από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες κατηγορίες έξυπνων υλικών. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται εφαρμογές των έξυπνων υλικών στην Αεροναυπηγική. Αναφέρονται νέες τεχνολογίες και έρευνες πάνω στα έξυπνα υλικά, από πολλά διάσημα ερευνητικά κέντρα στον κόσμο, όπως το Γερμανικό Κέντρο Αεροδιαστημικής και το ερευνητικό κέντρο Langley της NASA. Τέλος αναφέρονται τεχνολογίες για μελλοντικά αεροπορικά συστήματα και μελλοντικές κατασκευές διαστημοπλοίων.

Exploiting the functional properties of materials such as shape memory alloys, magneto/electrorheological materials and piezoelectric elements results in the development of smart materials or systems. In the scientific and technological field of smart materials the major achievement is not related to the values of specific physical properties but to the “adopted” ability to control their own behaviour. The aim of this paper was the study of smart materials used in aeronautics. For this reason the first three chapters of the paper were devoted to the comprehensive analysis of smart materials, while in the last chapter the applications of smart materials in Aeronautics were analyzed. Following, is a brief description of the structure of this paper. The first chapter gives an introduction to smart materials. Composite systems, which under the influence of an external cause, can vary their behaviour or some characteristics (shape, natural vibration frequency, damping coefficient etc) in a specific and controllable way, are referred as smart materials. These systems incorporate sensors and actuators, which in turn are connected by a suitable control loop. Suitable materials for being employed as sensors and actuators, as well as the types of the, up to now, achieved control are also discussed. The second chapter describes the categories and types of smart materials. Smart materials are divided into two categories: Type I and Type II. Type I Smart materials are those which alter one or more of their properties, while Type II Smart Materials are those which transform one form of energy to another. This chapter also describes the properties for every type of smart material, and are mentioned applications of these in industrial products. Chapter three describes analytically the fabrication methods for some of the most common types of smart materials. The fourth chapter presents applications of smart materials in Aeronautics. New technologies and research on smart materials are mentioned, from many famous research centers in the world such as the German Aerospace Center and Langley Research Center of NASA. Finally the technology for future flight systems construction and future spacecraft is included in this chapter.