что такое композитные материалы в авиации
Углеволокно нас связало
Как российские композитные технологии спасли самолет МС-21
В прошлом году российский пассажирский самолет МС-21 остался без иностранного углеродного волокна, нужного для создания крыльев. Многие тогда сочли это проблемой. Как выясняется сейчас, это было счастливым стечением обстоятельств. Российское углеволокно заменило иностранный материал и дало МС-21 новые возможности. Издание N + 1 совместно с ГК «Росатом» рассказывает о перспективах проекта.
Что такое композит?
Это любой материал, который состоит из двух и более составляющих. Например, бетон считается композитным материалом, поскольку внутри цемент, песок, щебень и вода. Фанера – тоже, потому что это несколько слоев шпона, проложенные клеевым материалом.
Композиты делятся на две больших группы: наполненные и армированные. Бетон – это наполненный композит, поскольку он состоит из цементной матрицы с «вкраплениями» песка и щебня, а сам материал похож на единую монолитную массу. Фанера – хороший пример армированного композита. В нем легко заметны разные слои, которые спрессованы вместе, чтобы армировать друг друга и в итоге создать единый материал с определенными свойствами (в случае фанеры – с увеличенной прочностью).
Углеволокно – это армированный полимерный композит, который состоит из нескольких слоев тончайших (от 5 до 10 микрометров) углеродных нитей. Этот материал очень прочен и легок, что делает его перспективным для самых разных отраслей промышленности: авиастроения, судостроения, автомобилестроения, строительства, энергетики и других.
Багаж технологий
История российских композитных технологий началась благодаря советскому авиастроению. Стратегическая разработка этих материалов началась еще в 1930-е годы с созданием Всесоюзного научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ). Одной из его прорывных разработок была дельта-древесина. Пропитав слои шпона фенол- или крезолформальдегидной смолой, и спрессовав их, инженеры получили материал, который легче и прочнее многих сплавов на основе алюминия. Более того, дельта-древесина была огнестойкой и не покрывалась плесенью. Этот композит массово использовался для производства боевых самолетов во время Второй мировой войны.
Следующий виток развития материалов для самолетостроения был связан не с композитами, а с дюралюминием (дюралью). Это группа сплавов на основе алюминия с добавлением меди, марганца и магния, которые при правильной обработке сохраняли легкость алюминия. При этом становились очень прочным и твердым. Это позволяло использовать дюралюминий для производства каркасов самолетов, скоростных поездов и деталей космических аппаратов. Советские разработки на основе дюралюминия начались параллельно с исследованиями свойств композитов в 1920-1930-х годах. И после Второй мировой получили более широкое распространение.
ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ
Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ
Современные композитные материалы в российском авиастроении: краткий обзор
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.
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:
Развивая эти и другие стратегические направления в области разработки новых материалов и технологий, разработчики перспективных самолетов, вертолетов, авиационных двигателей и агрегатов смогут обеспечить:
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.
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
Что такое композитные материалы в авиации
Электронный научный журнал «ТРУДЫ ВИАМ»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
«ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
НАЦИОНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЦЕНТРА «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Авторизация
Статьи
В статье приводится описание новых, разработанных за последнее время во ФГУП «ВИАМ», полимерных композиционных материалов, применяющихся в различной авиационной технике, с использованием разнообразных армирующих наполнителей и полимерных связующих. Эти разработки связаны с развитием нового технологического уклада, появлением новых требований к авиационным изделиям и повышением требований к уже существующим, что в свою очередь формирует определенные требования к материалам. Представлены также марки материалов, области их применения и температуры эксплуатации.
Введение
В связи с развитием научно-технического прогресса и формированием шестого технологического уклада появляются новые требования к перспективным изделиям, которые не могут быть удовлетворены при использовании материалов предыдущих поколений. Для успешного выхода на новый уровень развития техники необходимо решить проблему, связанную с потребностями в новых материалах. Это в свою очередь позволит обеспечить конкуренто- и обороноспособность страны на протяжении последующих примерно 50–60 лет и осуществить плавный переход в следующий технологический уклад [1], который должен положительно отразиться на развитии различных отраслей промышленности.
На сегодняшний день полимерные композиционные материалы (ПКМ) используются уже во многих отраслях промышленности благодаря доступности сырья и накопленному опыту их применения. Это в свою очередь позволило разработать и создать необходимое оборудование для их переработки в изделия и дальнейшего внедрения [2–4]. Соответственно, внедрение новых материалов главным образом будет зависеть от конструкторов, которые смогут наилучшим образом заменить традиционные материалы новыми разработками с лучшими свойствами.
Благодаря основному преимуществу ПКМ перед металлами – высоким удельной прочности и модулю упругости при значительно меньшей плотности [5], наблюдается неизменная тенденция – замена различных элементов авиационной техники из металлов на элементы из разнообразных композиционных материалов. Данная тенденция связана с повышением экологических норм и, соответственно, экономической эффективности летательных аппаратов. При этом накопление опыта использования угле-, стекло- и органопластиков позволяет постепенно расширять границы их применения.
На данный момент Боинг 787 Dreamliner – яркий пример того, где больше половины деталей выполнены из композиционных материалов. Этот самолет имеет более высокий КПД по сравнению с предыдущим аналогом и более низкий расход топлива. В российской авиации таким примером может служить МС-21.
Согласно общемировым трендам, для формирования соответствующих научно-технических заделов во ФГУП «ВИАМ» идут систематическое обновление и развитие приборной базы, предназначенной для исследований, разработки и производства новых материалов, обеспечивающих достижение авиационной техникой необходимых параметров [6, 7]. В то же время параллельно происходят освоение новых технологий, совершенствование системы качества и получение уникальных компетенций, направленных на снижение зависимости от импортных материалов [8]. Все перечисленные действия направлены на улучшение характеристик новых разрабатываемых материалов, повышение их конкурентоспособности и технологичности.
Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 13.2. «Конструкционные ПКМ» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [9].
Стеклопластики
Одними из самых распространенных полимерных композиционных материалов, которые широко представлены во ФГУП «ВИАМ», являются стеклопластики. На сегодняшний день их разработано более 60 марок.
Как известно, ПКМ, изготовленные на основе стеклонаполнителей, имеют разное назначение за счет электроизоляционных свойств (в частности, защита от коррозии), а также радиотехническое (например, для обеспечения радиопрозрачности обтекателей самолетов) и конструкционное назначение [10, 11].
На сегодняшний день на основе негорючего клеевого связующего марки ВСК-14-6 разработан новый стеклопластик ВПС-68 для панелей пола самолета, который учитывает требования пожарной безопасности АП-25 [12]. В паре с этим стеклопластиком разработан и углепластик ВКУ-59, также изготовленный на основе связующего марки ВСК-14-6, которое обеспечивает выполнение требований пожарной безопасности согласно АП-25. При разработке данных материалов учтены возможные нагрузки на панели пола самолета: перемещение пассажиров в различной обуви, провоз тележек. Планируется, что стеклопластик ВПС-68 и углепластик ВКУ-59 будут использоваться совместно при производстве панелей пола самолетов по прессовой технологии.
Углепластики
Применение углепластиков в современных и перспективных самолетах выгодно с точки зрения экономии массы конструкции, особенно для узлов и деталей, масса которых в свою очередь определяется в значительной степени требованиями жесткости, чем прочности. Наибольшее распространение в мире получили углепластики, изготовленные на основе эпоксидных полимерных матриц.
В настоящее время из-за отсутствия в России производства полного цикла собственного углеродного волокна необходимо найти замену ушедшим с рынка ранее доступным углеродным армирующим наполнителям. Для этого проведен поиск материалов и с 2017 г. во ФГУП «ВИАМ» открыто новое направление – разработка и производство углеродных тканей [13]. Кроме того, в Воскресенском экспериментально-технологическом центре запущен участок по их изготовлению, производственная мощность которого составляет до 60000 м 2 /год.
Ассортимент тканых углеродных армирующих наполнителей, разработанных институтом, включает в себя 11 наименований тканей с поверхностной плотностью от 200 до 600 г/м 2 : это как однонаправленные полотна с редким утком, так и равнопрочные саржевые ткани (рис. 1). В первую очередь данное производство направлено на обеспечение внутренних потребностей ФГУП «ВИАМ» для изготовления препрегов. В то же время всегда есть возможность осуществить поставку углеродных тканей, как уже разработанных марок, так и специальных, по требованиям заказчиков.
Рис. 1. Углеродные ткани производства ФГУП «ВИАМ» (200 г/м 2 ):
а – марки ВТкУ-3 полотняного плетения; б – марки ВТкУ-2.200 саржевого плетения
Разработанные ткани применяются для получения конструкционных, высокотемпературных углепластиков и для изготовления полимерных композиционных оснасток.
Основной тенденцией развития авиационной техники, направленной на повышение весовой эффективности, как было отмечено ранее, является постепенная замена металлических изделий на композитные. Для этого во ФГУП «ВИАМ» налажен и осуществляется серийный выпуск препрегов с применением различных связующих: эпоксидных, фенолформальдегидных, цианатэфирных и полиимидных. Кроме препрегов, изготовленных на тканных армирующих наполнителях шириной 1000 мм, освоена технология производства лент препрегов на жгутовом наполнителе, включая углепластики ВКУ-25 и ВКУ-28 для автоматизированной выкладки лентами шириной от 6,35 до 150 мм. Производимые однонаправленные ленты препрегов предназначены в первую очередь для высоконагруженных ответственных конструкций авиационной техники.
Единственный агрегат летательного аппарата, в котором композиты пока используются мало, – это реактивные двигатели, самая тяжелая и громоздкая часть самолета, за снижение массы которой в мире идет настоящая война технологий. В гражданской авиации, например, компания General Electric первой успешно применила в двигателе для Boeing 777 композитные лопатки, которые были легче аналогичных из титана.
Для изготовления высоконагруженных конструкций разработана целая серия углепластиков на основе высокодеформативного эпоксидного связующего марки ВСЭ-1212, которые применяются в деталях мотогондолы двигателя ПД-14 (рис. 2): ВКУ-25/SYT49S, ВКУ-28/SYT55, ВКУ-29/ВТкУ-3, ВКУ-39/ВТкУ-2.200 и ВКУ-39/ВТкУ-2.280. В частности, из этих материалов изготавливают: обшивку газогенератора, створки капота мотогондолы, реверсивное устройство, воздухозаборник.
Благодаря использованию современного связующего и расплавной технологии изготовления препрегов на его основе получены высокотехнологичные материалы, обеспечивающие стабильность свойств в конечных изделиях, а продолжительная жизнеспособность позволяет проводить выкладку технологического пакета для формования в необходимые сроки [14, 15].
Рис. 2. Двигатель ПД-14
Кроме материалов, изготовленных на основе эпоксидного связующего марки ВСЭ-1212, разработаны полимерные композиционные материалы для элементов механизации, обладающие технологическим преимуществом. Для повышения технико-экономических показателей при изготовлении серийных изделий разработаны эпоксидное связующее марки ВСЭ-34 и материалы на его основе: препреги марок ВПС-53/120 и ВКУ-45. Ключевой особенностью данных материалов является пониженная температура переработки (140 °С), что позволяет снизить энергозатраты при формовании деталей и уменьшить трудоемкость при изготовлении трехслойных сотовых конструкций. Углепластики, изготовленные на основе связующего марки ВСЭ-34, предназначены в первую очередь для элементов механизации авиационной техники.
В настоящее время в России и за рубежом особое внимание уделяется высокотемпературным ПКМ (до 230–350 °С), в частности углепластикам, изготовленным на основе полиимидных, бисмалеимидных, фталонитрильных, фенолтриазиновых и других связующих. Одним из наиболее перспективных направлений решения задачи создания полимерных материалов для работы при температурах от 200 °С и более является получение связующего с помощью реакции полициклотримеризации мономеров, содержащих две и более функциональные группы с кратными связями между гомо- и гетероатомами, которая приводит к образованию сшитой трехмерной структуры с одинаковыми межузловыми фрагментами и устойчивыми шестичленными ароматическими карбо- и гетероциклами в качестве узлов полимерной сетки [16].
В период с 2013 по 2014 г. разработанный метод синтеза триазинсодержащего полимера позволил получать его в виде высоковязкой смолообразной массы, хорошо растворимой в кетонах, сложных эфирах, спиртах, ароматических углеводородах. С использованием цианового эфира бисфенола А разработан ряд полициануратных связующих марок ВСТ-1208, ВСТ-1210, ВСЦ-14, ВСТ-32, которые перерабатываются по современным препреговым и инфузионным технологиям и обеспечивают работоспособность ПКМ до 200 °С.
Из-за высоких температур отходящих выхлопных газов силовых установок существует проблема, связанная с прогоранием панелей кожухов. Для ее решения разработаны специальные материалы, учитывающие этот фактор и обеспечивающие защиту от прогорания. К ним относятся углепластики марок ВКУ-42 и ВКУ-48, разработанные на основе цианатэфирных связующих, позволяющих изготавливать огнезащитные панели по автоклавной и инфузионной технологиям. Отверждение этих материалов протекает без выделения каких-либо низкомолекулярных продуктов реакции, что дает возможность получать монолитные матрицу и ПКМ на ее основе, обеспечивая при этом их высокие механические и эксплуатационные свойства.
Полимерные композиционные материалы используются не только в элементах планера и его силовых конструкций, ведутся работы по применению ПКМ и в деталях авиационного двигателя, а именно – для изготовления рабочего колеса центробежного компрессора. Данное решение позволит сократить трудоемкость при производстве изделия сложной геометрической конфигурации из металла и облегчить сам двигатель. Применение ПКМ в двигателестроении ограничено тем, что их нельзя сильно нагревать. Для преодоления этого ограничения разработан углепластик марки ВКУ-38, изготовленный на основе фталонитрильного связующего марки ВСН-31, материал которого способен работать несколько сотен часов при температуре 300 °С при высоких нагрузках [17]. Особенность данного материала заключается в том, что при варьировании температуры и времени дополнительной термообработки получаемого углепластика можно добиться увеличения его термостойкости. Так, например, фталонитрильные связующие, доотвержденные при температуре 480 °С в инертной среде, выдерживают кратковременный нагрев до 538 °С.
Кроме как в элементах самого двигателя, применение высокотемпературного углепластика предполагается и в других теплонагруженных частях авиационных конструкций. Однако из-за стойкости углепластика ВКУ-38 к горению и прогоранию он также может использоваться для изготовления огнезащитных перегородок, например в суднах различного назначения для повышения их живучести, благодаря повышению пожаробезопасности и исключению распространения открытого пламени.
Органопластики
Кроме разработки привычных угле- и стеклопластиков, во ФГУП «ВИАМ» ведется направление по получению органопластиков с применением различных арамидных волокон и связующих [18]. Одной из последних является разработка органопластика нового поколения, изготовленного на основе арамидных волокон Русар-НТ, которые являются нейтральными, не создают кислую среду, следовательно, не вызывают коррозию металлов. Материал из волокна Русар-НТ – органопластик ВКО-24, предназначен для обеспечения эксплуатационной надежности силовых элементов конструкций, работающих в условиях критически-растягивающих нагрузок. Данный материал применяется также при изготовлении торсионов рулевого винта вертолета. Его отличительной особенностью является высокая стойкость к воздействию атмосферной влаги благодаря использованию в его составе расплавного связующего и арамидных волокон нового поколения. Влагопоглощение органопластика ВКО-24 составляет примерно 1,1% и находится на уровне значений современных углепластиков, а если учитывать, что в изделиях композиционные материалы применяются с лакокрасочными покрытиями, то действие влаги значительно снижается [19], что в свою очередь приводит к сохранению свойств органопластика >70%.
Важно отметить, что при постепенном развитии данного направления, включающего в себя использование новых расплавных полимерных связующих и нейтральных арамидных волокон Русар-НТ, перспективы применения органопластиков расширятся благодаря значительному снижению влияния влаги на механические свойства в конечных изделиях.
Заключения
Постепенное накопление статистики по изучению поведения полимерных композиционных материалов в различных условиях позволяет совершенствовать, расширять область их применения и прогнозировать изменение характеристик. Так, например, новый органопластик ВКО-24, разработанный с учетом накопленного опыта, по влагопоглощению и сохранению свойств после термовлажностного старения находится практически на одном уровне с углепластиками.
При этом с появлением новых подходов к проектированию деталей авиационной техники из ПКМ и развитием технологий их переработки в изделия расширяются возможности по замене традиционных металлических материалов композиционными, что уже сейчас можно видеть на примере разработанной серии углепластиков ВКУ-29/SYT-55 и ВКУ-29/ВТкУ-2.200, использующихся в производстве мотогондолы двигателя ПД-14.
Благодарности
Автор выражает благодарность за предоставленные сведения о рассматриваемых в статье полимерных композиционных материалах сотрудникам ФГУП «ВИАМ»: К.Р. Ахмадиевой, М.И. Валуевой, И.Н. Гуляеву, Г.Ф. Железиной, И.В. Зелениной, Г.С. Кулагиной, К.Е. Куцевичу, Р.Р. Мухаметову, А.М. Сафронову, А.И. Сидориной, Н.А. Соловьевой, А.И. Старкову, Т.Ю. Тюменевой, Р.Х. Хайретдинову, М.Б. Хине, а также Л.А. Дементьевой и А.А. Сереженкову.