С ростом спроса к новым моделям беспилотной техники растет потребность в создании новых материалов для ее изготовления. С 1960-х годов благодаря своим характеристикам композиционные материалы успешно внедряются в авиационную и космическую технику [1].
Композитные материалы представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом композитные материалы позволяют эффективно использовать индивидуальные свойства составляющих композиции. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать композитные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости. Композиты обладают комплексом конструкционных и специальных свойств, практически недостижимых в традиционных материалах на металлической, полимерной, керамической, углеродной и других основах. Сравнительные свойства различных конструкционных материалов представлены в таблице1.
Таблица 1
Сравнительные свойства различных конструкционных материалов
|
Материал |
Плотность, ρ, кг/м3 |
Прочность, σв, МПа |
Модуль упругости, Е, ГПа |
|
Углепластик |
1500 |
1200 |
170 |
|
Боропластик |
2000 |
1200 |
270 |
|
Органопластик |
1300 |
2000 |
95 |
|
Стеклопластик |
2000 |
2000 |
70 |
|
Алюминиевые сплавы |
2700 |
600 |
70 |
|
Титановые сплавы |
4500 |
1100 |
110 |
|
Стали |
7800 |
2100 |
200 |
Расчетные данные, подтвержденные результатами экспериментальных исследований и летных испытаний, показывают, что использование композиционных материалов позволяет снизить вес планера летательного аппарата на 30-40% по сравнению с весом планера из традиционных металлических материалов. Все это обеспечивает получение резерва веса, который может быть использован для увеличения дальности полета или полезной нагрузки. Использование композиционных материалов в авиационной промышленности значительно снижает материалоемкость конструкций, увеличивает до 90% коэффициент использования материала, уменьшает количество оснастки и резко снижает трудоемкость изготовления конструкций за счет уменьшения в несколько раз количества входящих в них деталей.
В качестве наполнителей для композитов могут использоваться ткани, цельнотканые чехлы, ленты, жгуты, нити на основе многофазных и поликристаллических непрерывных волокон и нитевидных монокристаллов стекла, углерода, бора, бериллия, органических волокон, имеющих высокие прочность и модуль упругости .
В качестве связующих при изготовлении деталей и изделий из керамических материалов наибольшее распространение получили эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические и полиамидные смолы. Материал матрицы определяет, как правило, уровень рабочих температур нагрева композиционных материалов, характер изменения их свойств при воздействии температуры, атмосферных газов и других факторов, а также режимы получения и переработки материалов.
Полимерные углепластики (карбоволокниты) характеризуются низкой плотностью, высоким модулем упругости, низким коэффициентом термического расширения, малой тепло- и электропроводностью, стабильностью коэффициентов трения и малым износом при трении.
Наполнитель в виде ткани более технологичен при переработке, однако наличие слабых нитей уменьшает степень наполнения углепластиков до 45-50 об. % по сравнению с 55-62 об.% характерными для материалов на основе жгутов. В результате некоторые прочностные и упругие характеристики углепластиков уменьшаются. Использование ленты и жгута, состоящих из более прочных моноволокн, обеспечивает повышение прочности углепластиков при растяжении и изгибе.
Особенностью углепластиков является их высокая усталостная прочность, большая, чем у боро- и стекловолокнитов, и находящаяся на уровне усталостной прочности титана и легированных конструкционных сталей. Углепластики существенно превосходят металлы и сплавы по вибропрочности, так как обладают высокой демпфирующей способностью. Ориентируя волокна под углом друг к другу, можно в больших пределах изменять демпфирующую способность углепластиков и производить отстройку деталей от резонансного режима без изменения их геометрических форм. Углепластики характеризуются высокой радиационной, водо-, аэро- и бензостойкостью. и могут применяться как для внешних ,так и для внутренних деталей летательного аппарата.
Своеобразие геометрических, механических и физико-химических характеристик борного волокна предопределяет ряд специфических особенностей бороволокнитов. Характерная ячеистая микроструктура обеспечивает достижение высокой прочности при сдвиге по границе раздела упрочняющей и связующей компонент. Наряду с отмеченными особенностями, механические свойства бороволокнитов подчиняются общим для армированных систем закономерностям. Регулирование свойств бороволокнитов достигается варьированием схем ориентации наполнителя. Бороволокниты стойки к воздействию проникающей радиации. Длительное воздействие воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов не влияет на их механические свойства. Изделия из бороволокнитов для летательных аппаратов весьма разнообразны: профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.
Полимерные стекловолокниты отличаются от других композиционных материалов конструкционного назначения сочетанием высокой прочности, сравнительно низкой плотности, теплопроводности, хороших электроизоляционных свойств, доступности и низкой стоимости упрочняющего наполнителя.
Впервые конструкционные органопластики были внедрены в КБ им. Н.И.Камова. Из этих материалов были изготовлены целые агрегаты планера. Также органопластики применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрической промышленности, автостроении; из них изготовляют трубы и емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и т.д.
Металлические композиционные материалы обладают уникальным среди всех других композиционных материалов свойством - свойством свариваемости. Хотя и для них при сварке существуют две основные проблемы. Первая - исключительная сложность расплавления алюминиевой матрицы, которая образует сварное соединение без повреждения волокон и снижения их прочности в результате теплового воздействия сварочного нагрева и химического взаимодействия волокон с расплавленным алюминием. Вторая проблема - сложность качественного формирования сварных швов вследствие плохого смачивания алюминиевых волокон на свариваемых поверхностях.
Высокий модуль упругости и высокая удельная прочность обеспечивают композитным материалам преимущества при эксплуатации ЛА в условиях сложного нагружения. Однако эти преимущества в полной мере могут быть использованы при условии их оптимального сочетания с элементами металлической конструкции (интегральные конструкции). Под этим подразумевается конструкция, собираемая из отдельных элементов (неотвержденных, частично или полностью отвержденных), изготовленная различными технологическими способами, а затем формируемая в единое целое за один технологический цикл. Методология изготовления таких конструкций позволяет получить сложную высоконагруженную композитную конструкцию с большим числом входящих в нее элементов без механической подгонки деталей, сверления отверстий и установки механического крепежа. Естественно, должна быть изготовлена и отлажена необходимая технологическая оснастка. Такой прогрессивный подход дает возможность в полной мере использовать достоинства не поврежденного механической обработкой конструкционного композиционного полимерного материала.
Интегральные конструкции могут обеспечить существенное снижение массы с одновременным повышением жесткости, прочности и технологичности. При использовании композиционных материалов для подкрепления основных силовых элементов масса фюзеляжа может быть снижена на 20%, масса крыла – на 15-20%, масса оперения – на 10-15%.
Рисунок 1 – Интегральные конструкции, выполненные по различным технологиям [2]: а - упрочненные протягиванием композиционного материала; б - склеенные смолами; в - склеенные клеями. 1 - металлический профиль; 2 - обшивка; 3 - заполнитель из композиционного материала; 4 - стенка лонжерона; 5 - накладка; 6 - накладка силовая из композиционного материала
Основными признаками интегральной конструкции как сборочной единицы являются:
интегральное (неразъемное) соединение ее в конструктивных элементов;
блочная структура изготовления, предполагающая использование при формировании и полимеризации конструкций сопряженных с ней элементов расчлененной технологической оснастки (формирующих элементов и формообразующих), каждый из которых содержит заготовки элементов конструкции (блоки).
При проектировании интегральных конструкций из композиционных материалов стараются реализовать следующие основные принципы :
Принцип совмещенного формирования.
Этот принцип предполагает изготовления интегральной конструкции за один цикл формирования, причем составляющие ее блоки или отдельные элементы могут быть предварительно частично или полностью отверждены.
Принцип синтеза.
Этот принцип предполагает построение конструкций большей степени интегральности из конструкций более низкой степени интегральности.
Принцип конструктивной организации.
Следование этому принципу предполагает учет следующих факторов:
выбор материалов и схем армирования с учетом величины и характера действующих нагрузок;
совмещение полей действующих напряжений с направлением преимущественной ориентации силовых элементов интегральной конструкции;
использование соответствующих конструктивных мер для снижения концентрации напряжений, обусловленных перепадом жесткостей проектируемой конструкции;
увеличение межслоевой прочности в зоне сополимеризации элем
ентов интегральной конструкции посредством введения адгезивов, специальных конструктивных элементов, продольных и поперечных связей;
конструктивное резервирование, обеспечивающее дополнительную прочность интегральных конструкций за счет повышения коэффициента безопасности тех конструктивных элементов, доступ к которым для проведения контроля качества при эксплуатации невозможен или затруднен.
Из проведенного обзора виден широкий диапазон возможностей композитных материалов в области изготовление планеров и воздушных винтов для беспилотных летательных аппаратов.
Литература:
1. Сенюшкин Н.С., Ямалиев Р.Р., Усов Д.В., Мураева М.А. Особенности классификации БПЛА самолетного типа // Молодой ученый. — 2010. — №11. Т. 1. — С. 65-68.
2. Технологичность авиационных конструкций, пути повышения. Часть1: Учебное пособие /. И.М. Колганов, П.В. Дубровский, А.Н. Архипов – Ульяновск: УлГТУ, 2003
