Композитные материалы в авиастроении: Революция в небе
Современная авиация сталкивается с ростом конкуренции и повышением затрат на топливо. Решением этих проблем является снижение веса конструкции за счет использования композиционных материалов.
Композиты совершили революцию в авиастроении и продолжают развиваться. Сегодня самолеты уже больше, чем наполовину состоят не из металла.
В условиях нарастающей глобализации рынка уже сложно представить современное машиностроительное предприятие, способное конкурировать в сфере наукоемких изделий без использования прикладного математического моделирования. К тому же для данной промышленности актуальна проблема разработки новых материалов, где требования, предъявляемые к конструкциям, крайне высоки.
Авиастроители все чаще используют композитные материалы и полимеры в конструкциях самолетов. Несмотря на то, что использование композитных полимерных материалов часто считается ультрасовременным, в мире авиации нет ничего нового. С тех пор как братья Райт и Клеман Адер создали свои первые «летающие машины», авиастроители поняли, что вес является ключевым фактором, когда речь заходит об успешном поднятии самолета в воздух. В настоящее время стремление к созданию легких конструкций преследует другие цели. Одной из них является экономическая эффективность, поскольку более легкие самолеты потребляют меньше топлива.
Что такое композитные материалы?
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.
Композиционные материалы названы так потому, что они состоят из двух или более элементов - волокна (например, стекловолокна или углеродного волокна) и матрицы. Эти материалы впервые появились в мире авиации еще в 1930-х годах, когда для усиления пропеллеров использовалась комбинация стекловолокна и смолы. Эти усиленные пропеллеры были прочнее, но этот новый материал на самом деле был ничуть не легче дерева. Композитный материал был многообещающим, но его все еще требовалось приручить.
Сочетая вещества с разными свойствами, можно получить новый, композиционный материал. Самый известный пример такого материала - железобетон. Это материал, состоящий из металлической арматуры и бетона, без которого невозможно было бы строить высокие здания. Армирующий наполнитель - металлические прутья - обладает более высоким модулем упругости, чем бетон, и повышает жесткость материала. Прочность железобетона в направлении армирования значительно выше, чем у простого бетона. Можно строить сравнительно легкие и высокие конструкции, которые не будут терять устойчивость и разрушаться под собственным весом или внешними нагрузками.
- Матрица
- Наполнитель
Все композиционные материалы состоят из матрицы и жесткого армирующего наполнителя. Как правило, армирующий наполнитель в полимерных композитах - углеродные или стеклянные волокна, а матрица - полимерный материал, как правило синтетическая смола. Чаще всего применяют термореактивные смолы. При нагревании они образуют трехмерную полимерную сетку, из-за чего матрица становится жесткой и химически устойчивой.
Применение композитных материалов в авиастроении
Применять композиционные материалы авиаконструкторы начали примерно с 1960-х годов. С того времени объем использования композитов в авиации неуклонно возрастает.
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.
На сегодняшний день на их долю композитов приходится до 50% веса некоторых широкофюзеляжных самолетов. Компания Boeing была первой, кто добилась этого, изменив правила игры на 50%, на своем самолете 787, который получил лицензию на полеты в 2011 году. Не желая отставать, европейский Airbus представил A350 несколько лет спустя - и превысил отметку в 50%.
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). 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.
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.
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.
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.
Корпорация «Иркут» уже завершила постройку первого самолета МС-21-300, крыло которого изготовлено из полимерных композиционных материалов российского производства.
Преимущества использования композитных материалов
Композитные материалы привлекают внимание преимущественно своим весом. Например, их непревзойденная жесткость идеально подходит для изготовления крупных деталей, таких как элементы крыла. Подвижные части в хвосте и элеронах сделаны из того же материала, но здесь он имеет многослойную структуру. Такой тип конструкции позволяет композитным пластинам лучше противостоять кручению. Эта же технология используется для радиокупола - выпуклой части носовой части самолета. За этой радиокуполом скрывается радар способный обнаруживать большие облака.
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.
Их применение актуально везде, где важны легкость и прочность, в первую очередь в авиации: от веса самолета напрямую зависит расход топлива. В автомобильной промышленности из углепластиков делают спорткары, болиды «Формулы-1», элитные модели легковых автомобилей и электромобили. В конструкции самолета из композиционных материалов можно изготовить фюзеляж, крылья, хвостовое оперение, мотогондолу, детали интерьера. Чаще для самолетов применяется более легкий углепластик, а стеклопластик - для ненагруженных деталей и носового обтекателя. Стеклопластик тяжелее, чем углепластик, и менее прочный, но он значительно дешевле.
Композиционные материалы совершенствуются: прочность и легкость материала зависят от инжиниринга детали, вида наполнителя. В технологии при создании новых полимерных матриц есть ограничение: нужно отталкиваться от исходных веществ, которые уже есть в тоннажном производстве и недорого стоят.
Использование композитов позволяет сокращать количество частей в детали, тем самым ускоряя сборку самолета, и получать изделия сложной формы. В отличие от металлов, композиты не подвержены усталости.
Именно по этой причине изготовление высоконагруженных компонентов самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей(компрессоры) из КМ приобрело такую популярность.
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.
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.
Технологии производства композитных элементов
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.
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.
«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.
Есть разные способы совместить матрицу и наполнитель. Самый распространенный в авиации - формование препрегов. Заранее пропитанную связующим и выложенную в несколько слоев ткань (препрег, от английского pre-impregnated) помещают в автоклав, куда подают высокое давление и высокую температуру. Полимерные связующие вязкие, и при выкладке между слоями образуются пустоты, которые нужно убрать под высоким давлением - пузырек газа просто схлопывается и растворяется в матрице. Детали, имеющие осевую симметрию, например фюзеляжи самолетов или мачты парусников или ветрогенераторов, получают намоткой пропитанного связующим волокна на вращающийся вал, после чего их также помещают в автоклав.
Альтернатива автоклавам - технология вакуумной инфузии. В специальный пакет выкладывают сухой материал, полимерное связующее за счет вакуума затягивается по трубкам и пропитывает ткань, и деталь отверждают при высоких температурах. Пакет для вакуумной инфузии можно сделать любого размера, и эта технология позволяет производить очень большие детали, которые нельзя сделать ни одним из других методов производства композитов.
Недостатки композитных материалов
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. Кроме того при горении углепластики, в отличии от металлов, горят и выделяют ядовитые вещества.
Теплостойкость материала определяется исключительно свойствами матрицы - все известные полимеры выдерживают существенно более низкие температуры, чем углеродное или стеклянное волокно.
Слабое место полимерных композитов - ударная прочность. После удара в детали из композиционного материала образуются микротрещины, которые при циклических нагрузках приводят к расслоению материала.
Если композитная деталь ломается, ее нужно полностью заменять новой. Есть технологии ремонта, но они не очень надежны, и в авиации ремонт применяют редко: после него деталь редко может пройти квалификацию. Чтобы следить за появлением трещин, необходима сложная диагностика.
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.
Перспективы развития композитных материалов в авиастроении
В авиастроении снова рассматривают возможность возвращения к пассажирской сверхзвуковой авиации: скорости большие, важна экономия топлива и теплостойкость обшивки.
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.
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.
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.
Одна из наших новых работ - группы ученых кафедры химической технологии МГУ имени М. В. Ломоносова - уже дошла до этапа опытно-промышленного производства - полимер, выдерживающий повышенные температуры. Одним из подходящих теплостойких связующих были достаточно давно известные фталонитрилы. Проблема в том, что чем выше теплостойкость конечного материала, тем более «капризные» для переработки базовые мономеры. Химической модификацией структуры фталонитрилов мы получили новый мономер и разработали фталонитрильное связующее, которое легко перерабатывается. Материал сохраняет свойства до 450 °C, но долговременно стабилен на воздухе при 350 °C, так как окисляется при более высоких температурах.
Инженеры, работающие с композитами, пытаются найти более энергоэффективный способ их затвердевания. В настоящее время детали выпускаются в автоклавах, своего рода гигантских скороварках, но это долгий и довольно дорогостоящий процесс, учитывая высокую стоимость оборудования.
Данное свойство тем более важно в авиационной промышленности, поскольку крылья и фюзеляжи самолетов ежедневно подвергаются микроударам, например, от града. Разработка конструкционных композитных материалов на основе самовосстанавливающихся полимеров - это настоящий вызов. Уже опробованы два различных метода самовосстановления. В случае возникновения микротрещины капсулы разрушаются и высвобождают ремонтное вещество, которое затем вступает в контакт с катализатором. Во втором методе используются обратимые полимеры.
Европа также финансирует исследования гидрофобного покрытия, которое позволит отказаться от использования стеклоочистителей на лобовом стекле кабины пилота. Стеклоочистители могут показаться незначительными, но они весят несколько килограммов и увеличивают сопротивление самолета. Данное покрытие, по сути, представляет собой кожу из полиуретанового силан-геля, подвергнутого гидролизу. Оно наносится на лобовое стекло и после высыхания оставляет после себя твердый слой, который легко отталкивает дождевую воду.
Авиастроители стремятся заменить композиты инженерными термопластами, такими как полиамиды (ПА, polyamides, PA), полибутилентерефталат (ПБТ, polybutyleneterephthalate, PBT) или PEEK, которые можно перерабатывать вторично. Касательно термомеханических характеристик инженерных пластмасс, то они часто сравнимы с термореактивными материалами, особенно это касается PEEK.
Развитие мирового авиастроения за последние десятилетие привело к появлению новых технологических достижений, таких как водородные топливные элементы и вторичная переработка композитов и компаундов.
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 .
Сравнительные характеристики КМ приведены в таблице.
| Материал | Плотность, г/см3 | Предел прочности при растяжении, МПа | Модуль упругости при растяжении, ГПа |
|---|---|---|---|
| Алюминиевый сплав | 2.7 | 300-500 | 70-80 |
| Титановый сплав | 4.5 | 800-1200 | 110-120 |
| Углепластик | 1.5-2.0 | 1000-3000 | 150-400 |
| Стеклопластик | 1.8-2.2 | 500-1500 | 20-50 |