Содержание
Появление композитных материалов на основе углеродного волокна (препрегов) в авиастроении совершило революцию. Еще в 60-е годы авиаконструкторы искали материалы альтернативные тяжеловесным металлам. Предпочтение было отдано легким и прочным композитам.
Композиты давно используются, например, Казанским авиационным производственным объединением (КАПО) им. Горбунова. В выпущенном в начале 90-х среднемагистральном Ту-204 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.
Подсчитано, что благодаря композитным составляющим вес Ту-204 оказался на 1200 килограммов меньше, чем был бы у аналогичной полностью металлической модели. А снижение веса самолета на 1 кг экономит от 2 до 3 тонн топлива в год.
Кроме того, вес композитных деталей составляет не больше 20% аналогичных деталей из алюминия, при превосходящей прочности, гибкости и устойчивости к давлению, не говоря уже о том, что как неметаллы, они, естественно, могут не бояться ржавчины. Стоит отметить также, что, в отличие от древесных композитов, стекловолоконные, арамидные и углеволоконные — не содержат формальдегида, ядовитых газов, вроде метанола. Как следствие в готовом виде детали из композитов весьма экологичны в использовании, не требуют особенного ухода. При регулярной очистке композитные детали годами выглядят как новые.
- Товарные группы
- Материалы для вакуумирования
- Нетканые материалы
- Однонаправленные углеродные ленты
- Препреги
- Преформа-рукав
- Углеродная ткань
Система внешнего армирования на основе углеродной ткани позволяют увеличивать несущую способность и усиливать конструкции в сжатые сроки и меньшими трудозатратами по сравнению с традиционными способами, а также значительно увеличивает срок службы конструкции.
Лёгкие и прочные силовые элементы летательных аппаратов
Индустрия
Применение композитных материалов в самолётостроении обеспечило новый качественный скачок в увеличении мощности летательных аппаратов и уменьшении их массы.
Объёмы авиаперевозок по всему миру ежегодно растут, и повышаются требования по обеспечению безопасности полётов. За счёт использования композитных материалов удаётся достичь улучшения функциональных характеристик с соответствующим повышением надёжности летательных аппаратов и безопасности полётов.
Преимущества применения углекомпозитов
Использование композитных материалов на основе углеродного волокна позволяет снизить вес летательных аппаратов в среднем на 30%, сохранив при этом высокую прочность конструкции.
Данный материал обладает высокой вибрационной и коррозионной стойкостью, что обеспечивает продолжительный срок службы и безопасную эксплуатацию механизмов.
Преимущества композитных деталей на основе углеволокна в авиастроении перед деталями изготовленными из сплавов металлов:
- Весовые качества
- Высокая прочность
- Устойчивость к коррозии
- Высокие усталостные характеристики
- Износостойкость
Углепластик имеет малый удельный вес — 1,5 г/см³ (алюминиевые сплавы — 2,8 г/см³, титановые сплавы — 4,5 г/см³).
Деталь из композитов может быть до 80% легче металлической.
Прочность и жёсткость углепластиков примерно в шесть раз выше, чем у основных сортов стали.
Сравнительные характеристики углеволокна и других материалов
| Тип волокна |
|---|
Применение
В современных летательных аппаратах используются ткани и препреги на основе углеродных волокон
Углеволокно
Ткани
Препреги
Композиты используют в изготовлении ряда частей авиалайнера. В их числе:
- Воздушные тормоза
- Интерцепторы
- Элероны
- Закрылки
- Рули направления и рулевые поверхности
- Элемент конструкции сложного закрылка
- Пилоны
- Панели коробки приводов
- Люки коробки приводов
- Лопасти винтов
- Панели крыльев вертикального и горизонтального оперения
- Элементы силового набора (центроплан, кессон, лонжероны, стрингеры, нервюры)
- Элементы обшивки фюзеляжа
- Элементы внутреннего силового набора (балки и панели полов, перегородки)
- Детали интерьеров и отделки
- А также двери, капоты авиадвигателя и многое другое
В вертолётостроении композитные материалы из углеродного волокна используют для изготовления:
- Лопастей несущего винта
- Силовых элементов фюзеляжа
- Корпусных деталей
Из углеродных композитных материалов разработаны детали колёсных тормозов для самолётов. Их вес составляет около 30% от веса стальных тормозов.
Ресурс тормозных устройств из этих материалов.
Это в пять-шесть раз превышает срок эксплуатации обычных тормозов.
Современные вертолёты на 15% состоят из углеродных композитных материалов.
Историческая справка
История использования композитных материалов в самолётостроении началась в 30-х годах прошлого века с использования стеклопластика для изготовления формообразующей оснастки.
Появление композитных материалов на основе углеродного волокна в 1961 г. совершило революцию в авиастроении, и углепластик стал альтернативой тяжеловесным металлам. Спустя 20 лет углепластик в самолётостроении стали применять повсеместно.
В современных самолётах доля композиционных материалов по массе составляет 50%.
Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ
Ведущие российские научные организации авиационной отрасли — ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИАС, ГкНИПАС, СибНИА, ЛИИ, ВИАМ, ГосНИИ ГА, НИИСУ, НИИАО, НИАТ – в рамках нового подхода к формированию научно-технического задела в области авиации разработали концепцию развития авиационной науки и технологий до 2030 года и дальнейшую перспективу. В документе отмечается особый вклад отечественной композитной отрасли в решение задач авиационной промышленности. Облик авиационных конструкций является компромиссом между требованиями к авиаконструкциям по безопасности, экологии и экономической эффективности и существующими техническими возможностями, определяемыми свойствами конструкционных материалов, технологией производства авиаконструкций и уровнем проектирования.
В настоящее время, работая над повышением авиатранспортной эффективности (величина, обратная стоимости перевозки одного пассажира на 1 км, при обеспечении соответствующего уровня комфорта, а также требований по безопасности и экологии), мировая авиаиндустрия активно переходит от металлических конструкций к новому типу конструктивных решений на основе композиционных материалов.
Дальнейшее повышение транспортной эффективности будет обеспечиваться внедрением в силовую конструкцию планера новых волокнистых композиционных материалов с высокими удельными прочностными характеристиками. К примеру, предел прочности современных угольных волокон превышает величину sпред=500 кгс/мм 2 , что на порядок выше предельных прочностных характеристик современных авиационных алюминиевых сплавов, тогда как удельный вес волокон почти в два раза ниже, чем у этих сплавов.
Однако составители форсайта отмечают, что разработка и создание композитных авиаконструкций (на 2013 год) характеризуются недостаточной эффективностью использования потенциально высоких удельных свойств современных угольных и других органических волокон в высоконагруженных силовых авиаконструкциях. Трудности возникают из-за низких прочностных и эластичных характеристик современных связующих по отношению к характеристикам волокон (наполнителя), что не позволяет в рамках современных многослойных композиционных материалов реализовать даже 20-25% от предельных прочностных характеристик для волокон в составе квазиизотропной обшивки.
График подготовлен по материалам фирмы Airbus-France, представленных в открытых публикациях по проекту FP6 NACRE.
Таким образом композитная технология «Black metal», предполагающая лишь замену конструкционного материала при неизменной конструктивно-технологической схеме планера, оказалась малоэффективной. ЦАГИ на базе своих исследований отмечает, что для успешной реализации данной технологии характеристики связующего должны быть улучшены как минимум в 2‑2.5 раза по сравнению с существующим уровнем, что возможно лишь в долгосрочной перспективе.
В то же время 50% улучшение механических свойств связующих становится возможным получение эффективных по весу и стоимости авиаконструкций в рамках так называемых «про-композитных» или «гибридных» конструктивно-силовых схем. Это сетчатые и балочные КСС (рисунок ниже), где основными силовыми элементами являются не подкрепленные панели, а система массивных ребер, интегрированных с металлическими частями. Ребра воспринимают глобальные нагрузки от сжатия, растяжения, изгиба и кручения, в то время как сосредоточенные нагрузки, нагрузки в стыковочных узлах воспринимают металлические конструкции. Что касается внутреннего наддува, то для этих КСС нагрузки от внутреннего давления могут восприниматься как металлическими конструктивными элементами, так и эластичными пластиками, приспособленными к восприятию растягивающих усилий.
Рисунок – «Гибридная» конструкция гермоотсека фюзеляжа для самолета 2040 2050 гг. (представлено Airbus)
Рисунок – «Гибридная» конструкция гермоотсека фюзеляжа для самолета 2040‑2050 гг. (представлено Airbus)
В форсайте указывается, что будут разработаны гибридные, активно управляемые и преобразуемые КСС с высокой степенью адаптации к режимам полета. Они могут быть эффективными для конструкции крыла большого удлинения, а также для конструкции «летающего крыла», которые в среднесрочной перспективе могут быть базовыми вариантами для конструкций гражданских самолетов. Получат распространение активные системы снижения нагруженности планера летательных аппаратов в эксплуатации, встроенные системы контроля состояния конструкции. Это, в свою очередь, потребует новых достижений в области адаптроники, аэроупругости, отказобезопасности авиаконструкций.
Новые материалы и конструктивно-технологические решения ожидаются при создании «горячих», теплозащищенных и охлаждаемых конструкций планера сверх- и гиперзвуковых самолетов. Будут разработаны КСС и термокомпенсационные мероприятия, обеспечивающие прочность с учетом тепловых нагрузок при минимальных весовых затратах.
Реализация данных тенденций должна обеспечиться созданием блока инновационных решений и рекомендаций по проектированию конструкций перспективных компоновок ЛА с использованием новых инновационных технологических решений: композитные, малостыковые, деформируемые и адаптируемые к условиям полета упругие конструкции крыла, органов управления, оперения и фюзеляжа, активное шасси, сварные соединения и металло-композитные стыки.
В рамках развития авиационной науки и технологий одним из перспективных направлений рассматривается внедрение новых материалов и технологий их производства, на что подтверждает мировая практика инновационных разработок в ведущих областях промышленности. Базисом в создании новых материалов должны стать результаты фундаментальных и фундаментально-ориентированных исследований отраслевых научно-исследовательских организаций и институтов Российской академии наук. При этом, как отмечается в форсайте, исследования будут основываться на неразрывности материалов, технологий и конструкций, а также реализации полного жизненного цикла от создания материала до его эксплуатации в конструкции, диагностики, ремонте и утилизации.
Среди стратегических направлений развития материалов:
- Композиционные и керамические материалы нового поколения. В основе данных материалов исследования процессов избирательной сорбции компонентов связующих на поверхности волокон, механизмов структуро — и фазообразования на границе раздела и межволоконном пространстве, продвижения и распределения нанообъектов в энергетически неравновесных зонах структуры, обеспечивающих залечивание дефектов на нано- и мезоуровнях, накопления повреждений, деградации и разрушения при различных видах воздействия и сред в процессе эксплуатации.
- Металломатричные композиционные материалы на основе легких сплавов с пониженной на 15% плотностью, повышенной на 30% удельной прочностью и рабочей температурой до 450 С применительно к конструкциям перспективных космических аппаратов.
- Новые полимерные основы и связующие для композиционных материалов, в т.ч. термостойкие, высокодеформативные с повышенной стойкостью к ударным нагрузкам, обладающие функциями самозалечивания, механохромными свойствами и модифицированными наночастицами.
- Высокопрочные и высокомодульные конструкционные и функциональные композиты, в т.ч. гибридного типа на основе различных текстурных и мультиаксиальных текстильных форм с высокими физико-механическими характеристиками, сопротивлением к статическим, повторно-статическим, динамическим нагрузкам, климатическим воздействиям и биоповреждению;
- Технологии прогнозирования свойств, моделирования и реализации современных процессов конструирования и производства изделий из неметаллических и композиционных материалов с использованием цифровых методов, совместимых с CAD/CAM/CAE и PLM системами, включая разработку методов моделирования и создание алгоритмов расчета, определяющего взаимосвязь «состав — технология — свойства», как на протяжении технологического, так и жизненного цикла материала в изделии.
- Междисциплинарные исследования в области новых материалов, нано- и IT-технологий, когнитивных и биотехнологий, направленные на изучение «устройства» и возможностей биологических объектов с целью их копирования в виде модельных технических систем на базе новых материалов; соединение современных технологических возможностей с достижениями в области познания живой природы (нано-биотехнологии); создание технологий атомно-молекулярного конструирования и самоорганизации на основе атомов и биоорганических молекул, а также разработку гибридных андроидных, интеллектуальных материалов нового поколения, в т.ч. бионического и нейронного типов.
Развивая эти и другие стратегические направления в области разработки новых материалов и технологий, разработчики перспективных самолетов, вертолетов, авиационных двигателей и агрегатов смогут обеспечить:
- увеличение ресурса конструкций планера до 80 тысяч и более летных часов с увеличением межремонтных сроков до 20 лет, и ресурса двигателя до 0,5 — 1 ресурса планера;
- 30-процентное снижение массы конструкций планера и двигателя;
- сокращение до 50% стоимости и затрат на ремонт и восстановление конструкций, а также двукратное снижение трудоемкости техобслуживания;
- повышение до 90% объема отечественных материалов в планере и двигателе гражданских летательных аппаратов и до 100% — в военной авиационной технике;
- создание гражданских летательных аппаратов, работающих при скоростях от 5 до 15 чисел Маха, включая развитие проекта по гиперзвуковому прямоточному воздушно-реактивному двигателю;
- повышение безопасности полета за счет снижения влагонасыщения полимерных композиционных материалов, повышения их ударо- и молниестойкости.
Пресс-служба Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского сообщает, специалисты ЦАГИ в ходе пленарного заседания 60-научной конференции Московского физико-технического института представили свои разработки в рамках доклада «Современные и перспективные конструкции летательных аппаратов». Авторы исследования (начальник комплекса прочности летательных аппаратов Михаил Зиченков и руководитель лаборатории прочности перспективных авиаконструкций ФГУП «ЦАГИ» Александр Шаныгин) считают, что наиболее ощутимый эффект от использования композиционных материалов в авиапромышленности может быть достигнут только при внедрении новых типов конструкций самолетов.
Ученые ЦАГИ предлагают всем отечественным конструкторским предприятиям взять за основу многоуровневый подход к проектированию. В рамках новой системы специалисты института разработали конструктивно-силовые схемы (КСС) для нового поколения гражданских самолетов. В частности, в ходе исследования были получены новые решения для гибридных (металло-композитных) КСС в рамках создания цилиндрического фюзеляжа и гермокабины в схеме самолета «летающее крыло».
Главная идея заключается в создании композитного каркаса в виде сетчатой структуры, где каждый элемент отвечал бы за конкретный вид нагрузки. Такой подход позволил бы создать планеры совершенно нового типа, что в свою очередь, ознаменовало бы выход сверхлегкий и сверхбыстрых самолетов.
