Применение композитных материалов в самолётостроении

В самолётах А320, А340 и В777 было использовано 10-15% композиционных материалов по весу. На этом этапе минимальное количество материала использовалось на силовых деталях, в основном КМ применялся для отделочных работ в салонах, в обтекателях, зализах и оперениях.

В современных самолётах этих двух корпораций А350 (см. Рисунок 2.2.2) и В787 Dreamliner (см. Рисунок  2.2.3) доля композиционных материалов по массе превышает 50%. В конструкции A350 52 % от веса самолёты будут составлять композиционные материалы, 20 % - алюминий, 14 % - титан, 7 % - сталь, 7 % - остальные. В самолёте В787 схожее соотношение: 50% - композиционные материалы, 20% - алюминий, 15% - титан, 10% - сталь, 5% - остальные. 

Рис.2.2.2 Airbus A-350 в ливрее ETIHAD AIRWAYS

 

На этих рисунках наглядно виден изгиб крыла, обусловленный гибкостью деталей, произведенных из композитов. В отличие от металлического крыла, гибкое композитное обладает значительно лучшими аэродинамическими свойствами. 

Для летательных аппаратов малой авиации доля композитных материалов в весе самолета достигает 65%, из металла для них производятся только стойки шасси и двигатели (самолеты Diamond, Grob (см. Рисунок 2.2.4) и т.п).

 

Рис.2.2.3 Самолет Diamond DA-42MNG (Австрия) 

 

Рис.2.2.4 Самолет GROB 120 (Германия)

 

2.3 Применение композиционного материала в отечественном самолётостроении

Композиты давно используются, например, Казанским авиационным производственным объединением (КАПО) им. Горбунова. В выпущенном в начале 90-х среднемагистральном Ту-204 (см. Рисунок 2.3.1) из композитных материалов сделано 25% деталей, в том числе вся механизация крыла: закрылки, элероны, интерцепторы, рули высоты и направления, а также панели люков, полов и интерьера.

Рис. 2.3.1 Самолет Ту-204

 

В октябре этого года впервые в воздух поднялся новый военно-транспортный самолет Ил-476 (см. Рисунок 3.3.2) . Самолет на 70% состоит из новых компонентов, по сравнению с предыдущими версиями Ил-76. Помимо новой силовой установки,  адаптера аналоговых и цифровых систем было сделано новое композитное крыло. Ил-476 является глубокой модернизацией транспортника Ил-76МД. Благодаря новым двигателям  ПС-90А-76 и усиленным композитным крыльям максимальная взлетная масса самолета составляет 210 тонн, по сравнению с 217 тоннами у  Ил-76МД. При этом грузоподъемность транспортника увеличилась с 50 до 60 тонн.

 

Рис. 2.3.2 Самолет Ил-476 (Ил-76МД-90А)

 

Сейчас в России разрабатывается новый проект Иркут МС-21

 (см. Рисунок 2.3.3). («Магистральный Самолёт XXI века») — проект ближне-среднемагистрального пассажирского самолёта, который в будущем должен прийти на смену Ту-154 и семейству Ту-204 на российском рынке пассажирских самолётов и выйти на «тесный» международный рынок, где доминируют гиганты Airbus и Boeing с самолётами-бестселлерами Airbus A320 и Boeing 737. 

 

Рис. 2.3.3 Самолет Иркут МС-21

 

МС-21 задумывался как инновационный самолет. Главная из инноваций: впервые в России и, более того, ранее чем у многих ведущих авиационных производителей самолет будет иметь композитное крыло. Принципиально важно, что речь идет не просто о широком применении композитов, а о их использовании в высоконагруженных конструкциях. Это в свою очередь оказывает существенное влияние на аэродинамическую компоновку и на аэродинамику самолета. Традиционно аэродинамики стараются увеличить удлинение крыла (отношение размаха крыла к средней хорде крыла), поскольку это способствует уменьшению сопротивления. Однако это стремление упирается в увеличение массы конструкции, что заставляет искать оптимум, компромисс.

Рис.2.3.4  Композиционные материалы в самолёте МС-21

 

До конца 2013года ОАК откроет завод по выпуску деталей из композиционных материалов для авиастроения в Ульяновске, который станет самым крупным композиционным производством отечественного авиапрома. Завод будет выпускать основные композиционные конструкции для кессона крыла перспективного пассажирского самолёта МС-21 (интегральные панели, лонжероны, конструкции центроплана) по инфузионной технологии. Также в Ульяновске mektb осуществляться финальная сборка крыльев м центроплана для МС-21.

Ведущие авиапроизводители увеличивают долю композиционных материалов при строительстве новых самолётов. В честности,, массовая доля композитов в конструкции самолётов Boeing 787 и Airbus A350 находятся на уровне около 50%. Доля композиционных материалов при строительстве самолёта SSJ-110 составляет около 12%, доля композиционных материалов в строящемся лайнере МС-21 приближается к 40%.

  Исследования подтвердили, что композитная  конструкция позволяет заметно  увеличить удлинение крыла по  сравнению с металлическими конструкциями, — что и реализуется на МС-21. Типовое удлинение крыла у  самолетов прошлого поколения  около 8–9, в современных самолетах  — 10–10,5, а на МС-21 закладывается 11,5. В результате аэродинамическое  качество — а это основной  параметр, характеризующий совершенство  самолета, — на больших скоростях  полета у МС-21 выше, чем у лучших  современных аналогов, на 5–6%. По  нынешним меркам это большое  преимущество. Отсюда существенная  экономия топлива, увеличенная крейсерская  скорость и высота полета. Таким  образом, главная особенность данного самолета заключается в так называемом «черном» (композитном) крыле лайнера. Из композитов у МС-21будут сделаны также отдельные элементы фюзеляжа, центроплан и оперение (см. рис.9). По сравнению, например, с российским самолетом Ту-204, у которого доля углеродных композитов в массе планера составляет 14%, у нового лайнера это число увеличено почти до 40%.

На данный момент производство и использование «крылатых композитов» на территории России не такое обширное, как за рубежом. Однако, наша страна стремительно набирает обороты в этой отрасли самолетостроения. Совместно с компаниями «Объединенная авиастроительная корпорация» и «Авиационная холдинговая компания «Сухой» была создана компания «Аэрокомпозит», которая будет вести производство деталей на заводах Казани (совместно с КАПО им. С.П. Горбунова) и Ульяновска уже не только для российского, но для зарубежного рынка. На заводах будут выпускаться элементы кессона крыла, лонжероны, интегральные панели крыла, и элементы механизации для российских самолетов МС-21 и Superjet 100. В Казани также будет организовано производство деталей для самолетов компаний Boeing и Airbus, которые будут выпускаться под маркой партнера предприятия, австрийской компании FACC. Первое композиционное крыло для самолета МС-21 будет произведено в конце 2013 года. В производстве спортивных и военных самолетов компания «ОКБ Сухого»  впервые применила композиционные материалы в самолетах третьего и начала четвертого поколения - обтекатели радаров производились из фенолформальдегидных композиционных материалов. Сейчас компания производит детали из углеволокна, а препрег (композиционный материал-полуфабрикат) изготавливается на специализированных предприятиях. Данный материал используется для производства носовых обтекателей истребителей пятого поколения и почти всего планера спортивных самолетов. Авиация предъявляет специальные требования к материалу. Он должен быть радиопрозрачным и обладать высокой стабильностью свойств. Одним из важных свойств препрега для компании является возможность его хранения длительный период без потери свойств. Показатель для нового препрега составляет 2 месяца.

 

3 Недостатки композиционных материалов

Помимо ряда положительных свойств, указанных выше, композиционные материалы еще имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение и ограничивают применение.

Высокая стоимость - обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а, следовательно, развитого промышленного производства и научной базы страны.

Анизотропия - непостоянство свойств композитного материала от образца к образцу. Для компенсации анизотропии увеличивают коэффициент запаса прочности, что может нивелировать преимущество композитных материалов в удельной прочности. Таким примером может служить опыт применения композитных материалов при изготовлении вертикального оперения истребителя МиГ-29. Из-за анизотропии применявшегося композитного материала вертикальное оперение было спроектировано с коэффициентом запаса прочности кратно превосходящим стандартный в авиации коэффициент 1,5, что в итоге привело к тому, что композитное вертикальное оперение Миг-29 оказалось равным по весу конструкции классического вертикального оперения, сделанного из дюралюминия.

Низкая ударная вязкость также является причиной повышения коэффициента запаса прочности. Кроме этого, низкая ударная вязкость обуславливает высокую повреждаемость изделий из композитных материалов, высокую вероятность возникновения скрытых дефектов, которые могут быть выявлены только инструментальными методами контроля.

Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении композитных материалов в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объему. Это относится, например, к сверхзвуковым самолётам, у которых даже незначительное увеличение объема самолёта приводит к существенному росту волнового аэродинамического сопротивления.

Токсичность - при эксплуатации композиционные материалы могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из композитных материалов изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека (таким примером может послужить композитный фюзеляж самолета Boeing 787 Dreamliner), то для одобрения применяемых при изготовлении КМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов КМ на человека.

Низкая эксплуатационная технологичность - композиционные материалы обладают низкой эксплуатационной технологичностью, низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоемких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из композитных материалов. Часто объекты из композитных материалов вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.

Устранение или уменьшение этих свойств приведет к  улучшению качества материала и откроет новые возможности его применения как в авиации, так и в других сферах промышленности..

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на объективные трудности, имеющиеся в деле разработки и применения композиционных материалов в самолето- и вертолетостроении, современная наука с уверенностью смотрит в будущее. Прилагаются все усилия для того, чтобы применение и производство композиционных материалов было качественно расширенно и улучшено. В России много делается на государственном уровне для воплощения в жизнь результатов научной деятельности. 

  Внедрение композиционных материалов  в авиастроение позволит радикально  повысить прочность, надежность, безопасность  и другие эксплуатационные характеристики  воздушных судов – поскольку  в них будут использоваться  усиливающие элементы нитей, волокон  или просто вкраплений более  прочного материала. Эта технология  позволяет получить элементы  конструкций с заданными требованиями  по самым разнообразным параметрам: прочности, жароустойчивости, упругости  и многим другим – вплоть  до степени радиопоглощения.

Словом, будущее мирового авиастроения зависит от того, как будет проходить внедрение этих материалов и технологий в массовое производство. И не может не радовать, что научный прогресс не стоит на месте, позволяя осваивать все новые и новые горизонты, а всевозможные инновационные проекты поднимают на новый уровень отечественное самолетостроение.

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1988. 
2. Справочник по композиционным материалам в 2х кн. под редакцией Дж. Любина - М.: Машиностроение, 1988
3. Журнал «Зарубежное военное обозрение» 1976  №1
4. Журнал «Авиасалоны мира» 2010 №4
5. Журнал Compisite 21 Century  /  май 2011
6. Пассажирский самолёт МС-21: летно-технические характеристики. Справка.  РИА новости: Наука и Технологии,14.07.2008.
7. Газета «Иркутский авиастроитель 14 ноября 2013»
8. Статьи Wikipedia