Aircraft battle damage repair

Abstract

Damaged aircraft composite structures can be repaired with several different repair methods. Repairs are usually performed at a warm and dry depot where skilled personnel and facilities are available. The mechanical properties of the repaired structures must match the original performance. Aircraft battle damage repair (ABDR) of composite structures must be executed in the field with minimum equipment. ABDR is very important to keep the aircraft operational with a useful level of mission capability or to return them safely to the depot for major maintenance.

The objective of this thesis was to find applicable battle damage repair methods for monolithic and sandwich composite structures by means of literature survey and experimental study. In the theoretical part, typical battle damages and different repair methods were reviewed. The influence of ABDR was also evaluated.

In the experimental part, sandwich panels were made of carbon laminate face sheets and Nomex-honeycomb. A 25 mm hole was made to sandwich specimens representing battle damage. The damages were repaired by attaching pre-cured carbon fiber patches with four different rapid repair methods. The repairs were carried out under laboratory conditions. Repair times and tensile strength of each repaired sandwich specimen was measured.

The test results showed that riveted and adhesively bonded and only adhesively bonded pre-cured composite patch repair methods could be applied within two hours. They restored 90 % and 75% of the static strength respectively. The riveted repair restored only 29 % of the strength. According to test results, first two repair methods restore moderately mechanical properties and have ability to be processed rapidly in the field using minimum equipment.

Ilma-alusten komposiittirakenteiden korjauksessa voidaan käyttää useita erilaisia korjausmenetelmiä. Korjaukset toteutetaan tavallisesti lämpimässä ja kuivassa korjaushallissa. Korjatun rakenteen mekaanisten ominaisuuksien täytyy vastata alkuperäisen rakenteen ominaisuuksia. Kriisitilanteessa rakenteiden korjaaminen saatetaan toteuttaa rajoitetusti kontrolloidussa ympäristössä, jossa ilma-alus täytyy palauttaa takaisin tehtäväkelpoiseksi tai siirtolentokelpoiseksi mahdollisimman nopeasti. Korjauksen täytyy palauttaa vaurioituneen rakenteen mekaaniset ominaisuudet mahdollisimman lähelle alkuperäistä rakennetta.

Tämän diplomityön tavoitteena oli sekä kirjallisuustutkimuksen että kokeellisen tutkimuksen avulla selvittää, miten lentokoneiden komposiittirakenteita voidaan korjata nopeasti poikkeusolosuhteissa. Kirjallisuustutkimuksessa selvitettiin komposiittirakenteisiin syntyviä tyypillisiä vaurioita sekä niiden korjaustekniikoita. Kirjallisuusselvityksessä arvioitiin myös poikkeus-olosuhteissa tapahtuvan korjauksen vaikutus ilma-alusten tehtäväkelpoisuuteen.

Kokeellisessa tutkimuksessa valmistettiin hiilikuitulevyistä ja Nomex-kennosta kerroslevypaneeleita, joihin tehtiin halkaisijaltaan 25 mm reikävaurioita. Vauriot korjattiin esikovetetulla hiilikuitupaikalla neljällä erilaisella nopealla korjausmenetelmällä. Korjaukset toteutettiin laboratorio-olosuhteissa. Jokaiseen korjaukseen kuluva aika mitattiin ja korjauksen staattinen lujuus selvitettiin korjatuista koekappaleista leikatuilla vetosauvoilla.

Kokeellisen tutkimuksen tulosten perusteella kerroslevyn pintalevy voidaan korjata nopeasti liimaamalla ja niittaamalla tai pelkästään liimaamalla esikovetettu hiilikuitupaikka vaurioituneen kerroslevyn päälle. Liima- ja niittikorjaus palautti 90 %, liimakorjaus 75 % ja pelkkä niittikorjaus 29 % staattista lujuutta ehjään rakenteeseen verrattuna. Tällaiset korjaukset ovat tehtävissä pienellä korjausvälinemäärällä. Koetulosten mukaan liima- ja niittikorjaus sekä pelkkä liimakorjaus palauttavat lujuuden hyvin ehjään rakenteeseen verrattuna.