В статье рассмотрено применение композитных материалов в авиастроении. Проведен анализ крыла самолета МС-21 из композитных материалов и процесс его создания.
Ключевые слова: композитные материалы, композит, самолет МС-21, крыло, инфузионная технология, авиастроение.
В настоящее время авиастроительные компании активно используют композитные материалы. Данная технология позволяет снизить общую массу конструкции и существенно сократить расходы при эксплуатации [1].
Композитные материалы (композиты) — многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого отличаются от свойств каждого из его составляющих.
Использование композитных материалов позволяет снизить вес планера летательного аппарата на 30–40 % по сравнению с весом планера из традиционных металлических материалов [2, с. 59].
Рассмотрим использование композитных материалов при создании крыла российского самолета МС-21.
МС-21 — совместный проект корпорации «Иркут» и конструкторского бюро Яковлева. Новый лайнер создается с применением самых современных технологий, которые следуют тенденциям в мировом авиастроении.
Чтобы получить более экономные самолеты, меньшие удельные расходы по топливу, требуется создание новой геометрии крыла, и как раз к этому времени подошла технология изготовления основных силовых элементов пассажирских лайнеров из композитных материалов.
МС-21 стал первым отечественным пассажирским самолетом, в котором широко применяются углеродные композиты. Использование этих материалов дает серьезные преимущества перед цельнометаллическими лайнерами. Такие самолеты получаются легче и обладают лучшей аэродинамикой, а, значит, они более экономичны и экологичны, и, что еще немаловажно, их эксплуатационные расходы заметно ниже.
Мировыми лидерами в создании композитных самолетов являются Boeing и Airbus. Их лайнеры уже вышли на регулярные авиалинии, а МС-21 пока находится в роли догоняющего, но это дало возможность оценить чужой опыт и в некоторых показателях даже обойти конкурентов.
Для нового самолета было создано крыло уникального профиля, которое за счет большего удлинения и меньшей толщины позволяет на 5 % увеличить аэродинамическое качество самолета и, соответственно, повысить его экономичность.
По алюминию, стали, титану есть многолетняя статистика, подтверждающая свойства и работу этих материалов в конструкции. Но этих данных нет для композитных материалов. Главное — это обеспечение безопасности полета, поэтому перед этим проводили исследования на образцах, на натурных конструкциях, проводили прочностные испытания, испытания на жесткость. Были проведены достаточно большие испытания конструкции и исследования материала для того, чтобы убедиться, что самолет с подобным крылом будет безопасным.
Уже больше 60 лет алюминий является главным материалом для строительства самолетов. Он достаточно легкий, хорошо обрабатывается, а главное досконально изучен. Но эра металлических самолетов подходит к концу. Для создания качественно новых аэродинамических профилей возможностей алюминия оказалось недостаточно. После изучения этой геометрии в аэродинамических трубах поняли, что создать подобную геометрию из классических металлических материалов будет достаточно затруднительно.
Крыло МС-21 более совершенное, чем у подобных самолетов. При его создании применили более современную и совершенную технологию — инфузионную.
Главное отличие инфузионной технологии в том, что композит изначально не пропитан связующей смолой, то есть это сухой углерод — тончайшие нити, которые сформированы в ленты [3]. Инфузионная технология дешевле автоклавной, которую используют другие авиастроители. Ее принципиальное отличие в том, что связующий компонент, склеивающий сухое углеродное волокно, попадает в сформированную деталь под вакуумом в инфузионной камере. В автоклавной технологии работают с препрегом — он уже пропитан смолой, поэтому его жизнеспособность имеет четкие временные рамки.
При создании каждой композитной детали изготавливается так называемая панель-спутник. Она делается из того же самого углеродного волокна, с тем же самым наполнителем. Мало того, и процесс инфузирования проходит одновременно с основной деталью. Получается своего рода клон, который далее нарезают на образцы-свидетели и проводят десятки исследований в лаборатории, чтобы подтвердить, что основная деталь полностью соответствует всем характеристикам, заявленным конструкторами. Эти образцы показывают, что процесс полимеризации произошел так, как требуется, и что там требуемое количество угля относительно связующего, не больше не меньше, — это физические и химические испытания. Прочностные испытания — подтверждение заложенных характеристик. Каждая деталь и каждый элемент конструкции работает в своих условиях нагружения, поэтому испытания разные. Около пяти видов механических испытаний для деталей.
Площадь крыла среднемагистральных лайнеров примерно одинакова и равна 180 м 2 . Выложить углеродные слои такой площади вручную невозможно, именно поэтому на заводах, где делают композитные крылья, широко применяется робототехника.
Принцип создания тот же, что и при создании деталей. Вместо широких полотен углеродного материала используется 6-мм углеродная лента, которую робот постепенно, слой за слоем, выкладывает на оснастке. Когда все слои готовы, их укрывают вакуумной пленкой и помещают в инфузионную камеру. Внутрь заготовки подается связующий состав и происходит процесс формирования будущей конструкции.
Придать алюминию подобную сложную форму достаточно тяжело, так как требуется много переходов для ее формирования. А в случае композитов готовую панель получают за один технологический цикл.
Самое главное в применении композитов как нового материала, который применяется в основных силовых элементах планера — обеспечить безопасность. Нет данных многолетнего опыта эксплуатации, приходится закладывать большие коэффициенты запаса, искать резервы и расчетные методики, которые подтверждают экспериментами, и новые конструктивные решения для композита.
Литература:
- Электронный ресурс [http://www/ft-publishing.ru/upload/file/books/article_06.pdf] (дата обращения: 21.07.2021).
- Применение композиционных материалов в конструкции БПЛА / Н. С. Сенюшкин, Р. Р. Ямалиев, Л. Р. Ялчибаева // Молодой ученый: ежемесячный науч. журнал. 2011. № 4 (27) — 140 с.
- Электронный ресурс [https://www.aex.ru/docs/5/2015/3/19/2205/] (дата обращения: 21.07.2021).
