Что такое композитный материал в авиации

Композитные преимущества

Композиты в свое время совершили настоящую революцию в авиастроении и продолжают развиваться. Сегодня самолеты уже больше, чем наполовину состоят не из металла. На новейшем МС-21 используется целое крыло, изготовленное из углепластика. Это нововведение не только для отечественной гражданской авиации, но и для среднемагистральных лайнеров во всем мире. Корпорация «Иркут» уже завершила постройку первого самолета МС-21-300, крыло которого изготовлено из полимерных композиционных материалов.

Рассказываем, из чего строят современные самолеты, как создают «черное крыло» и какие преимущества предоставляет лайнеру углепластик.

Композиты в небе

Композит – это материал, состоящий из двух или более компонентов, которые в сочетании друг с другом создают новый материал или улучшают характеристики одного из них. Таким образом, все композиционные материалы в своем составе имеют матрицу и жесткий армирующий наполнитель. Как правило, роль наполнителя играют углеродные или стеклянные волокна, а матрица – это полимерный материал. Такая конструкция позволяет создавать легкие, но очень прочные детали. Поэтому именно в авиастроении композиты стали особенно популярны – они увеличивают прочность авиационных деталей, снижают их вес и увеличивают антикоррозийную стойкость.

Применять композиционные материалы авиаконструкторы начали примерно с 1960-х годов. С того времени объем использования композитов в авиации неуклонно возрастает. Например, ровно половину веса самолета Boeing 787 Dreamliner составляют композиционные материалы, 20% – алюминий, около 15% – титан, 10% – сталь.

В конструкции российских лайнеров также используются композиты, причем давно. Еще в начале 1990-х в среднемагистральном Ту-204 из композитных материалов было сделано 25% деталей, в том числе вся механизация крыла, а также панели люков, полов и интерьера. В самолете Sukhoi Superjet 100 из композитных материалов выполнены закрылки, створки шасси, обтекатели и другие элементы. Рекордсменом среди отечественных лайнеров стал среднемагистральный МС-21 – на композиты приходится 40% массы. Кроме того, это первый российский самолет с крылом, полностью состоящим из композиционных материалов, а также первый в мире среди лайнеров такого класса.

Долгое время было распространено мнение, что композиты выгодно использовать только на больших летательных аппаратах – широкофюзеляжных дальнемагистральных лайнерах. Не такие большие, хотя и более массовые узкофюзеляжные самолеты, получали лишь некоторые композитные детали, такие как элементы механизации крыла. В проекте МС-21 конструкторы корпорации «Иркут» продемонстрировали, что использование композитов для изготовления крыла среднемагистрального самолета выгодно по всем параметрам.

«Черное крыло» для российской авиации

При создании самолета конструкторы всегда стараются увеличить удлинение крыла – отношение размаха крыла к средней хорде крыла. Ведь, чем длиннее крыло, тем меньше сопротивление. Однако проблема в том, что удлинение крыла приводит к увеличению массы конструкции. Ведь алюминий – мягкий металл, и чтобы крыло из него вышло достаточно жестким и не прогибалось в полете, нужно существенно увеличить его толщину. Поэтому удлинение алюминиевого крыла на самолетах не превышало 8-9. Углепластик – более жесткий материал, поэтому крылья из него могут достигать удлинения 10-11, и даже выше. Для углепластикового крыла МС-21 удалось достичь этого показателя на уровне 11,5.

Фото: ОНПП «Технология»

Композитное крыло, которое часто называют «черным крылом» из-за характерного цвета углепластика, считается главной особенностью МС-21. Оно позволяет новейшему российскому лайнеру расходовать на 8% меньше топлива по сравнению с существующими аналогами. Специалисты подсчитали, что за свою «жизнь» среднемагистральный самолет с «обычным» алюминиевым крылом тратит порядка 140 тыс. тонн горючего. Только за счет композитного крыла МС-21 сможет сэкономить более 11 тыс. тонн топлива. Плюс к этому преимуществу – увеличенная крейсерская скорость и высота полета.

Прочнее, легче и дешевле

Композиты считаются достаточно дорогим удовольствием – килограмм дюрали для самолета стоит в разы дешевле, чем килограмм углепластика. Несмотря на это, производство и применение композитов в авиастроении остается выгодным. При этом выбор правильной технологии изготовления композитов может даже снизить суммарную себестоимость лайнера.

На сегодняшний день известны два основных способа производства композитных элементов. Первый –– традиционный, автоклавный. В этом случае формируется своеобразный «сэндвич»: внутри – алюминиевые соты, сверху и снизу – сотни слоев углепластика, которые наносятся лазерным проектором слой за слоем. После выкладки этот «сэндвич» (препрег) проводит восемь часов в автоклаве, где превращается в прочную и легкую авиационную деталь.

Второй способ производства композитных элементов – инфузионная технология. Главное достоинство данного метода – возможность изготовлять за один технический передел весьма сложные конструкции, например, панель крыла. С препрегами такое не провернуть – конструкцию пришлось бы собирать из отдельных деталей, то есть потратить больше времени, а главное увеличить вес из-за использования крепежа. Кроме того, для инфузионной технологии не нужны автоклавы, которые особенно затратны для крупных деталей. Все эти преимущества делают производство «черного крыла» выгодным.

«АэроКомпозит-Ульяновск» – единственный в России завод по производству авиадеталей из композитов при помощи инфузионной технологии. Здесь данная технология впервые в мире применяется при изготовлении крупногабаритных конструкций – панелей кессона крыла. Именно на «АэроКомпозите» производят целиком «черное» крыло для МС-21. На предприятии проходит полный технологический цикл – из Ульяновска в Иркутск приходит уже готовая консоль крыла. Тем самым не нужно тратить время и затраты на сборку непосредственно на авиазаводе.

Корпорация «Иркут» уже завершила постройку первого самолета МС-21-300, крыло которого изготовлено из полимерных композиционных материалов российского производства. 30 ноября 2021 года самолет был переведен из цеха окончательной сборки Иркутского авиационного завода в летно-испытательное подразделение.

Вклад композитных материалов в авиастроение сложно переоценить. В то же время, авиастроительная отрасль сыграла значительную роль в эволюции самих композитов. Стремление конструкторов сделать самолеты прочнее и легче, становится стимулом для создания все более легких и прочных материалов. Ими стали композиты и совершили своеобразную революцию в авиастроении и ракетно-космической области. Сегодняшнее применение композитов в этой сфере – лишь начало большого пути.

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В АВИАСТРОЕНИИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Макеев Дмитрий Александрович, Келарев Валерий Иванович

В статье рассматриваются области применения композитных материалов в авиастроении . Композитным материалом называется многокомпонентный материал, изготовленный из двух или более компонентов с существенно различными физическими свойствами, которые приводят к появлению нового материала с характеристиками, отличными от характеристик этих отдельных компонентов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В АВИАСТРОЕНИИ»

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1 2 Макеев Д.А. , Келарев В.И.

1Макеев Дмитрий Александрович — бакалавр,

кафедра технической эксплуатации летательных аппаратов и наземного оборудования; 2Келарев Валерий Иванович — старший преподаватель, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону

Аннотация: в статье рассматриваются области применения композитных материалов в авиастроении. Композитным материалом называется многокомпонентный материал, изготовленный из двух или более компонентов с существенно различными физическими свойствами, которые приводят к появлению нового материала с характеристиками, отличными от характеристик этих отдельных компонентов.

Ключевые слова: композитные материалы, авиастроение, самолет, фюзеляж, крыло.

Основной проблемой авиастроения всегда было облегчение узлов летательного аппарата с сохранением его необходимой прочности. Современные композитные материалы в большей своей части решают данную задачу. Впервые они начали широко использоваться с 1980-х годов в некоторых структурных элементах коммерческих авиалайнеров, таких как секция хвоста. Позже процент их использования возрос из-за их применения в элементах фюзеляжа и крыла. Это поспособствовало уменьшению веса данных агрегатов при сохранении заданной жесткости и прочности, а так же благоприятно повлияло на расход топлива, что в современной коммерческой авиации является одним из решающих факторов выбора авиалайнера. Примером может служить Boeing 787 Dreamliner , 50 процентов веса которого составляют различные композитные материалы. Так же важным фактором является то, данный вид материалов обладает устойчивостью к коррозии и высокие усталостные характеристики.

В авиастроении применяется практически весь спектр композиционных материалов:

1) Арамидные ткани применяются в первую очередь при производстве нижней части фюзеляжа и пилонов авиадвигателя.

2) Углеткани используют для изготовления рулевых поверхностей, дверей, капота авиадвигателя.

3) Стеклоткани используют при производстве менее нагруженых частей конструкции, таких как приемники воздушного давления, воздухозаборник ВСУ.

Одним из мест обширного применения композитных материалов является крыло самолета. Лонжероны и расположенные вдоль размаха крыла и нервюры (силовые элементы образующие профиль крыла, а так же являющиеся ребрами жесткости) изготавливаются на основе стекло-, углеткани (углеленты). Обшивка выполнена из двухслойной оболочки, состоящей из стекло-, углеткани и внутреннего пенопластового заполнителя.

Верхняя и нижняя оболочки обшивки крыла, переходящие в корневой или концевой частях в нервюры, и лонжероны изготовлены методом инфузии связующего с полимеризацией материала в соответствующих матрицах, с соединением оболочек между собой у передней и задней кромок крыла с помощью клеевой пленки, распределенной на сопряженные поверхности. Внутренние нервюры так же изготовлены методом инфузии связующего и соединяются с оболочкой и лонжероном через введенную между сопрягающимися поверхностями клеевую пленку. Данным

методом достигается повышение качества наружных поверхностей крыла и обеспечивается прочность конструкции, снижение веса.

Метод инфузии может быть заменен способом формования препрегов. Заранее пропитанная связующим материалом и выложенная слоями ткань помещается в автоклав, в котором создается высокое давление и температура. Высокое давление предотвращает образование полостей заполненных воздухом внутри полимерных связующих. Детали, имеющие осевую симметрию, получают намоткой листов волокна, предварительно пропитанного полимером. на вал, после чего их также помещают в автоклав. Использование автоклавов для формирования больших деталей достаточно затратный процесс, поэтому данный способ получил распространение только среди крупных производителей.

Так же полимерные композитные материалы применяются в изготовлении фюзеляжа летательного аппарата. Внутренний каркас, образующий форму для изготовления наружной обшивки. Он собирается из шпангоутов, лонжеронов и стрингеров. Корпусная оснастка устанавливается в пространство между двумя шпангоутами каркаса и крепится при помощи съемного крепления для получения сплошной конструкции. Далее идет нанесение слоя композитного материала обшивки в виде ленты из волокон, пропитанных смолой, ее обжиг и последующее удаление корпусной оснастки для получение внутреннего каркаса покрытого наружной обшивкой. На местах расположения дверей и иллюминаторов вырезаются проемы, а со внутренней части обшивка укрепляется в необходимых местах дополнительным стрингерным набором. Таким методом достигается упрощение сборки фюзеляжа.

Рис. 1. Изготовление фюзеляжа летательного аппарата. Л — лонжероны, B — стрингеры, C — шпангоуты, D — внешняя обшивка

Несмотря на большой ряд преимуществ по сравнению с использованием металлов, композитные материал имеют значительно большую стоимость, и их использование окупается лишь при долгой эксплуатации.

Также слабым местом полимерных композитов является ударная прочность. После удара в детали образуются микротрещины, которые при циклических нагрузках приводят к расслоению материала. Для решения данной проблемы разрабатываются специальные составы связующих материалов, в которые входят термопласты или используют термопластичные матрицы. В таком случае при разрушении детали есть возможность ее ремонта, но данная технология не обладает высокой надежностью из-за чего в авиации она не получила широкого распространения: после него такая деталь редко может пройти квалификацию. Для постоянной диагностики трещин в композит встраивают оптоволоконные датчики, которые отслеживают целостность структуры и своевременно сигнализируют о проблеме.

Кроме того при горении углепластики, в отличии от металлов, горят и выделяют ядовитые вещества. Поэтому в интерьерах используют пластики с низкой горючестью, в состав которых добавлены антипирены.

1. Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1988. 24-28 с.

2. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.energovector.com/energozmnie-bystree-vyshe-prochnee.html/ (дата обращения: 03.12.2020).

ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ

1 2 Макеев Д.А. , Келарев В.И.

1Макеев Дмитрий Александрович — бакалавр, кафедра технической эксплуатации летательных аппаратов и наземного оборудования; 2Келарев Валерий Иванович — старший преподаватель, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону

Аннотация: в статье рассматриваются проблемы прочности винтовентиляторов авиационных двигателей, причины их возникновения, а также способы их устранения.

Ключевые слова: винтовентилятор, винтовентиляторный двигатель, авиастроение, самолет, композитные материалы.

Создание винтовентиляторного двигателя является наиболее перспективным направлением в современной авиационной отрасли ввиду его низкого удельного расхода топлива. Так же он будет иметь преимущество перед турбореактивными двигателями на режимах взлета и набора высоты, что позволяет сократить потребную длину ВПП и снижение шума на местности за счет крутого набора высоты. По сравнению с обычными винтами турбовинтовых двигателей, винтовентиляторны, за счет своих саблевидных лопастей, будут обладать более высоким КПД на крейсерской скорости в районе 0,75-0,85 числа Маха.

Одной из отличительных особенности винтовинтеляторного двигателя от турбовинтового является применение более тонких лобастей, имеющих в концевых сечениях относительную толщину не более 2-2,5%, что приводит к снижению жесткости на кручение. Это влечет за собой появление эффекта срывного флаттера на меньших скоростях вращения, но данный минус компенсируется большей шириной лопасти в средней ее части (примерно от 0,3 до 0,7 ее днинны). Однако с точки зрения аэродинамики на лопасть в этой зоне будут действовать большие переменные аэродинамические нагрузки из-за создания неравномерностей в потоке ометаемой плоскости, что приводит к повышению динамических напряженностей винта. Возникает потребность найти компромисс между требованиями аэродинамики и прочности. Так же повышение угла стреловидности лопасти уменьшает уровень шума, создаваемого вращением винта, но при достижении определенных углов его КПД стремительно снижается.

На режимах реверса тяги срывной флаттер винтоветилятора более интенсивен, по сравнению с обычным винтом, из-за саблевидности лопастей, а так же из-за их большей ширины.

Композиционные материалы в современной авиации

В статье рассматривается применение композитных материалов в авиастроении. Приведены преимущества и недостатки. Перспективы дальнейшего использования.

Аннотация статьи
перспективы
композиционные материалы
самолетостроение
современная авиация
Ключевые слова
Малая Елена Викторовна
Саввин Андрей Игоревич
Научный руководитель
Малая Елена Викторовна
Технические науки
«Актуальные исследования» #49 (128), декабрь ’22
Поделиться
Цитировать
Актуальные исследования
# 49 ( 128 ), декабрь ‘ 22

Композиционный материал (КМ) – искусственно созданный материал, который состоит из двух или более компонентов, и имеющий границу раздела между ними. Матрица и наполнитель являются компонентами композитов. Самый простой пример – это обычная фанера. Но есть и гораздо более интересные технологии, и материалы, используемые в промышленности. В основном, развитие КМ получило во вторую мировую войну. Авиаинженеры узнали про радиопроницаемость – это основное преимущество композитов из стекловолокна. И начали разрабатывать обтекатели, которые защищали радиомодули от внешних факторов, ветра. Задолго до Stealth в США Германия разрабатывала самолет-невидимку. Тогда необходимо было использовать в корпусе самолета КМ, где между слоями фанеры находился наполнитель из легкой бальзы – дерева. В послевоенное время была сложная задача: перейти с военной промышленности на заказы мирного назначения [1].

На сегодняшний день наиболее актуальной отраслью для исследований в области применения КМ являются ракетно-космическая промышленность. Первоначально они находили применение в конструкциях обтекателей, небольших и малонагруженных участках фюзеляжа. С течением времени и развитием технологий значительно расширился перечень агрегатов, в которых применение КМ, является допустимым и даже желательным. Так, на данный момент, из них изготавливают топливные баки, трубопроводы, шпангоуты и ряд других деталей двигателя.

Стабильно в них нуждается также судостроительная промышленность. В данной сфере наблюдается масштабная замена таких традиционных материалов, как стекловолокно и полиэфирные смолы, к более современными инновационным – углеволокну и эпоксидным связующим. Такая тенденция связана с необходимостью снижения веса корпуса судна. Использование КМ позволяет обеспечить данное условие, поскольку вес конструкций, изготовленных из них, значительно ниже тех же элементов, но из традиционных материалов.

Ту же задачу их применение решает и в автомобильной промышленности. Чаще всего КМ эффективны для изготовления кузовов, коробок передач, поршней цилиндров, рессор, шасси. Зачастую используют волоконно-армированные КМ с матрицей из алюминиевого сплава и волокнами из бора или стали.

КМ применяют для увеличения срока службы сельскохозяйственной техники при изготовлении деталей тракторов, дисковых косилок, режущих частей плугов [2].

Авиация на постоянной основе требует инновационных технических решений. Приоритетной задачей на сегодняшний день является снижение массы конструкции. КМ наряду со сплавами в конструкции нынешних самолетов постоянно используются. Преимуществом композитов на фоне других материалов является способность уменьшить массу конструкции при сохранении прочностных характеристик. Они имеют высокую устойчивость к коррозии и высокие усталостные характеристики.

Именно по этой причине изготовление высоконагруженных компонентов самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей(компрессоры) из КМ приобрело такую популярность.

Замену тяжелым металлам искали ещё в 60-е годы. Появление КМ, образованных на базе углеродного волокна, имело революционный характер. Они стали лучшей альтернативой, благодаря сочетанию легкости и прочности. Так вес композитных элементов не превышает 20% аналогичных элементов из алюминия, при этом превосходя их по прочности, эластичности и стойкости к давлению. Ещё одним преимуществом стала устойчивость в отношении коррозии. Стоит отметить, в отличие от древесных композитов, стекловолоконные, арамидные и углеволоконные – не содержат формальдегида, токсичных газов. Именно на основании вышеперечисленного компоненты из композитов не наносят столь ощутимого вреда экологии, не требуют специализированного ухода. При регулярной очистке подобные компоненты могут сохранять товарный вид. Сравнительные характеристики КМ приведены в таблице.

Сравнительные характеристики конструкционных материалов

Использование КМ обеспечивает свежий переход в повышении тяги двигателей, энергетических и транспортных установок. Для производства компонентов лётной техники применяют высокомодульные карбоволокниты, для замещения же графита используют карбоволокниты с углеродной матрицей. Второй вид материал отлично подходит для тепловой защиты, изготовления дисков авиационных тормозов и химически крепкой аппаратуры. Профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и подобные изделия авиационной и космической техники делаются из бороволокнитов. Органоволокниты используют в качестве изоляционного и КМ; из них выполняют трубы, емкости для реактивов, напыления корпусов и другое [3, 4].

Большинство зарубежных двигателе- и авиастроительных компаний (Rolls-Royce, FMW Composite Systems Inc, Pratt&Whitney) на настоящее время выстраивают производство на основе достаточно эффективных промышленных технологий в области изготовления ответственных деталей и конструкций из металлических композиционных материалов (МКМ) на базе титановых сплавов. По результатам проведённых испытаний, было выявлено, что изготовленные из титановых МКМ лопатки компрессора низкого и высокого давления на 30% легче аналогичных, выполненных из традиционных материалов.

Также рассматривается вариант использования данных типов МКМ для изготовления лопастей вентилятора. Такая замена материала позволит увеличить размер без необходимости изменения других характеристик. Подобное решение даже может привести к облегчению дисков, опорной конструкции и кожухов.

Голландская компания SP Aerospace в 2003г. провела замену детали основного шасси истребителя F-16 ВВС Нидерландов на детали из МКМ на основе титановых сплавов.

Двигатели компании Genx от General Electric имеют в себе КМ. Из них изготавливают корпус, лопатки турбины, форсунки, которые впрыскивают топлив в камеру сгорания.

Самолеты малой авиации не оставили в стороне. Самолеты Diamond DA- 42MNG (Австрия), GROB 120 (Германия), в них доля содержания КМ в весе самолета достигает 65%.

Перспектива применения КМ может обеспечить ряд преимуществ, таких как:

уменьшение трудоемкости и стоимости сборки, за счёт меньшего количества деталей в конструкции;
значительное снижение веса самолёта (до 20%);
увеличение экономии топлива;
уменьшение эксплуатационных расходов на техническое обслуживание, благодаря стойкости КМ к коррозии и высоких значений усталостной прочности;
увеличения ресурса.

Первые модификации А310 и В767 имели только 5-6% стекловолоконных КМ. Но уже в 1986 г. модель А310-200 была модернизирована, что посодействовало увеличить топливную эффективность. Среди изменений имелось введение вертикального оперения из углепластиков, вдобавок тормоза колёс начали изготавливать из композитов на базе углеродных волокон.

Значимость развития и внедрения новейших технологий заключается в:

Также огромная значимость развития и внедрения новейших технологий является:

образование на территории РФ новейшего производства конструкций, деталей, узлов для авиапромышленности с применением инновационных КМ;
формирование центров по разработке и изготовлению узлов, агрегатов из КМ для гражданской авиации.

В современных самолетах процентное содержание КМ по массе значительно выросло. КМ в А350 составляют 52% от общей массы самолета, в самолете B787 это значение – 50%. В конструкции отечественных самолетов также широко используются КМ. Наибольших успехов по внедрению КМ в конструкции отечественных самолётов достигла компания «Иркут», разрабатывающая новый российский самолет МС-21 (рис.). В нем доля КМ составляет 35%. Это рекорд для отечественного самолетостроения. Данный результат получен благодаря крылу, полностью выполненному из композитов [5].

Рис. Композиционные материалы в самолёте МС-21

Кроме ряда положительных свойств, приведенных выше, КМ имеют существенный процент недостатков, которые ограничивают их распространение и применение. К ним относятся: высокая стоимость (использование окупается только при долгой эксплуатации), низкая ударная вязкость, анизотропия, большой удельный объем, ядовитость при изготовлении, невысокая эксплуатационная технологичность.

Несмотря на объективные трудности, которые имеются в процессе разработки и применения КМ в самолето- и вертолетостроении, современная наука совершенствует способы получения КМ.

Введение КМ в авиастроение позволит значительно увеличить прочность, надежность и иные эксплуатационные характеристики воздушных судов, поскольку в них будут применяться усиливающие элементы нитей, волокон или вкраплений более крепкого материала. Эта технология позволяет изготовить элементы конструкции с заданными условиями по самым многообразным параметрам: прочности, жароустойчивости, упругости и многим другим – вплоть до степени радиопоглощения.

Будущее всемирного авиастроения во многом зависит от достижений в сфере внедрения КМ в крупное производство. Уже сейчас композиты являются достаточно востребованным материалом в сфере авиационной промышленности, поскольку нет современного ЛА, в конструкции которого не использовались бы КМ.

Словом, будущее всемирного авиастроения зависит от того, как будет протекать введение данных материалов и технологий в глобальное производство, а всевозможные инновационные проекты поднимают на новый уровень отечественное самолетостроение. КМ являются одним из наиболее востребованных материалов современного промышленного производства. ПКМ обеспечивают в силовых конструкциях высокую эксплуатационную надежность и долговечность в авиации, ракетно-космической промышленности, судостроении.

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В АВИАЦИИ

Для обеспечения безопасности полетов конструкция ЛА должна быть достаточно прочной в эксплуатации в течение всего срока службы ЛА.

Под прочностью конструкции понимают ее способность воспринимать без разрушения нагрузки, действующие в процессе эксплуатации. Жесткость конструкции характеризуется способностью ее деформироваться под действием внешних нагрузок.

В авиационной технике из-за особенностей эксплуатации предъявляются высокие требования к материалам. Материалы, применяемые для конструирования летательных аппаратов, должны обеспечивать необходимую прочность и жѐсткость конструкции, должны обладать атмосферостойкостью. При этом материал должен предусматривать возможность изготовления изделия сложной формы и по возможности без дополнительных крепѐжных элементов, увеличивающих массу самолѐта.

Композиционные материалы, благодаря своим качествам (высокая удельная прочность, возможность управления структурой и формообразованием изделий практически любой геометрии, лѐгкость комбинирования с разными материалами), нашли широкое применение в самолѐтостроении.

Развитие самолетостроение связано с непрерывной борьбой за снижение веса конструкции. Снижение веса конструкции можно добиться рациональным выбором материалов и силовых схем, применением рациональных технологических процессов, а также за счет уточнения нагрузок, действующих на конструкцию. [2]

Выбирая материалы для силовых элементов конструкции, учитывают его механические и теплофизические характеристики, удельный вес, коррозионную стойкость, стоимость и дефицитность сырья, а также возможность обработки материала современными производственными процессами.

Выбор материала зависит также от размера и формы конструктивного элемента и условий, в которых он работает под нагрузкой. Эти условия характеризуются следующим:

— величиной, направлением и продолжительностью действия нагрузки;

— видом нагрузки (постоянная, плавно изменяющаяся, ударная, циклическая);

— наличием концентрации напряжения и др.

Повышенная по отношению к традиционным металлическим конструкционным материалам удельная прочность и жесткость композиционных материалов определяется свойствами упрочняющего волокна – наполнителя. Совместную работу волокон обеспечивает матрица – связующее. В названии многих композиционных материалов заложены типы наполнителей и связующих: углепластики, стеклопластики, органопластики и прочие материалы. Первое слово характеризует тип наполнителей: углеродные, стеклянные, а также другие волокна и ткани, а второе – типы связующего: пластики на основе различных смол или специальных клеев. [1]

Главной особенностью создания конструкции из композитных материалов, в отличие от традиционного использования металлов, является то, что процесс проектирования изделия начинается с создания самого материала. При этом свойства материала формируются в процессе производства конкретной конструкции.

Таким образом, конструирование материала, проектирование самой конструкции и разработка технологического процесса изготовления – это единый взаимосвязанный процесс, в котором каждая из составляющих дополняет и определяет другие.

Минимальная масса конструкции планера является одним из основных критериев, определяющих совершенство конструкции самолета.

Его реализация зависит от правильности выбора материалов, конструкции агрегатов из композиционных материалов и их параметров. При снижении массы конструкции за счет применения композиционных материалов повышается экономическая эффективность самолета.

Использование в силовой части конструкции планера пассажирского самолета полимерных композиционных материалов позволяет не только снизить массу планера, но и повысить его аэродинамическое совершенство. Рост аэродинамического качества и крейсерского числа Маха обеспечивается за счет оптимальных значений проектных параметров крыла, то есть удлинения, стреловидности и относительной толщины его профиля, что недостижимо для металлической конструкции.

Так, для крыльев с удлинением λ=9~10 (Ту-204, Boeing 737, Airbus А320. ) используется алюминий с модулем упругости E=72 ГПа.

Для крыла с удлинением λ=11~12 использование алюминия ведет к дополнительному увеличению веса за счет необходимости повышать изгибную жесткость крыла. Вот почему для крыла с удлинением λ>10 следует использовать материал с большим модулем упругости. Углепластик позволяет получить необходимую жесткость крыльев за счет большего модуля упругости E>100 ГПа (для готовой конструкции). [3]

Доля использования композиционных материалов в конструкции современных магистральных самолетов достигает 50%. К примеру, на самолетах Boeing 787 Dreamliner и Airbus A350 композиционные материалы используются в конструкции крыла, центроплана, фюзеляжа и хвостового оперения.

В конструкции российских самолетов также широко используются композиционные материалы. Доля использования композитных материалов на новом российском самолете МС-21, разрабатываемом корпорацией «Иркут», будет составлять ~35–37%.

На самолете нового поколения Sukhoi Superjet 100 из композиционных материалов выполнены агрегаты механизации крыла, рулевые поверхности, створки шасси и обтекатели. Компанией ЗАО «Гражданские самолеты Сухого» ведется работа по увеличению доли использования композиционных материалов в конструкции планера самолета, в том числе в конструкции крыла и центроплана. Ожидается, что широкое применение композиционных материалов будет способствовать:

— снижению веса планера самолета до 15%;

— повышению топливной эффективности;

— уменьшению эксплуатационных расходов до 10% и расходов на техническое обслуживание до 30% (так как требуется меньшее число осмотров конструкции) за счет большей коррозионной стойкости и большего ресурса композиционных материалов по сравнению с металлами;

— уменьшению количества деталей в конструкции и, соответственно, снижению трудоемкости и стоимости сборки.

«КАПО-композит» будет производить для SSJ-100 агрегаты механизации крыла – закрылок, элерон, интерцепторы, воздушные тормоза, руль высоты и направления, а также элементы планера из композиционных материалов. Для МС-21 — механизацию крыла – закрылок, элерон, интерцепторы, воздушные тормоза, панели хвостовой части крыла.

Центральный институт авиационного машиностроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ) принял с 26 по 28 февраля 2013 года участие в шестой международной специализированной выставке «Композит Экспо — 2013» . В еѐ ходе состоялась конференция «Современное состояние и перспективы развития производства и использования композиционных материалов в России», где генеральный директор ВИАМ Д. Геращенков проинформировал слушателей о разработках ВИАМ в области полимерных композитных материалов нового поколения.

«Модернизация промышленности, обновление продукций предприятий невозможны без использования новых материалов, технологий их производства и применения, подготовки квалифицированных инженерных кадров. ВИАМ проводит большую работу в этом направлении». [4]

1. Зайцев В.Н., Рудаков В.Л. Конструкция и прочность самолетов: Учебник. Киев.: 1978г.-488с

2. Одиноков Ю.Г. Расчет самолета на прочность: Учебное пособие. М.: Машиностроение, 1973г. -392 с.