МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В АВИАСТРОЕНИИ

По мере развития авиастроения материалам уделялось всё больше внимания: если в начале XX века основной инновацией стали алюминиевые сплавы, то к середине века на арену вышли дюралюминий и легкие полимерные компоненты​. Однако, за последние десятилетия область авиастроения столкнулось с новыми вызовами и требованиями, где использовать вышеперечисленные материалы становилось не так выгодно, ввиду их стоимости, а также возросших технических требований к конструкции. Главный прорыв произошёл с появлением композитных материалов.

Композитные материалы (КМ) – это материалы, состоящие из двух и более химически или физически разнородных компонентов и обладающие специфическими свойствами, отличными от суммарных свойств составляющих компонентов. Термин «композиция» идет от латинского слова «composio», что означает составление. Компоненты КМ должны быть хорошо совместимы. Свойства КМ нельзя определять только по свойствам компонентов без учета их взаимодействия. Цель создания КМ: объединение сходных или различных компонентов для получения материала с новыми заданными свойствами и характеристиками, отличными от свойств исходных компонентов. С появлением такого рода материалов возникла возможность селективного выбора свойств композитов, необходимых для нужд каждой конкретной области применения.

Какие задачи решает применение композитных материалов при авиаконструировании? Это в первую очередь снижение стоимости производства относительно проектирования цельнометаллических узлов, а также автоматизация производственных процессов, а также, самое главное позволило достичь технологических решений, превосходящих те, что достигаются путем применения металлических сплавов.

Ввиду увеличения потребности в пассажирских самолетах на 2034 год, мы сталкиваемся с вопросом: какие ПКМ будут использовать в этих проектах и с помощью каких технологий. Для самолетов с двумя проходами (Boeing 787, 777X и Airbus A350) композитные материалы уже применяют. Важен также тот факт, что сами авиаперевозчики предпочитают конструкции из композитов, по сравнению с традиционными алюминиевыми конструкциями, в связи с их долговечностью и простотой обслуживания. Данные преимущества позволяют широко использовать ПКМ в больших авиаконструкциях независимо от их размера или конфигурации. Таким образом, основной тенденцией применения ПКМ в самолетостроении является увеличение объемов производства лайнеров с агрегатами из композиционных материалов. Перейдем же непосредственно к методам проектирования при помощи композитных материалов.

1) Вакуумная диффузия, представленная на рисунке 1, стеклопластиков отличается тем, что обеспечивает высокую однородность и прочность изделия, минимальное количество пор и пузырей воздуха, а также хорошую автоматизацию процесса и возможность изготавливать крупные детали без высоких затрат на оборудование. Такой способ позволяет сэкономить связующее и повысить качество поверхности, при этом существенно снижая вес готовой конструкции. Недостатками являются необходимость точного соблюдения технологии, сложная подготовка оснастки, высокая чувствительность к герметичности при формовании и риски появления дефектов при нарушении процесса. Кроме того, требуется квалифицированный персонал, и ошибки на этапе подготовки могут привести к браку всего изделия​.

Рисунок 1. Вакуумная диффузия

2) Автоклавное запекание, особенностью процесса которого мы можем ознакомиться на рисунке 2, обеспечивает лучшие механические характеристики среди всех методов: минимальное количество дефектов, отличную геометрию, высокую прочность и жесткость, что идеально для критически нагруженных частей самолёта. Такой способ подходит для крупных и сложных деталей, но требует дорогостоящего оборудования, больших энергозатрат, ограничений по размерам автоклава и строгого контроля за технологией. Недостатком считается высокая стоимость производства и высокая трудоёмкость при запуске, что ограничивает массовое применение в серийном производстве авиации​.

Рисунок 2. Автоклавное запекание

3) Процесс намотки (рисунок позволяет формовать композиты сложной цилиндрической или криволинейной формы с нужной анизотропией свойств за счёт точной ориентации волокон. К плюсам относится эффективное распределение армирования, экономия материала и возможность настройки свойств детали. Недостатки: сложность инструментальной подготовки, возможные технологические ошибки при намотке, риск неполной пропитки материала и необходимость точного контроля качества. Метод не всегда подходит для крупных плоских деталей.

Рисунок 3. Процесс намотки

4) Горячее прессование характеризуется высокой однородностью изделий, минимальным количеством дефектов, отличной геометрической точностью и возможностью экономичного серийного производства относительно небольших и средних деталей. Оборудование, на котором происходит горячее прессование, а также особенность его, представлена на рисунке 4. Преимущества включают стабильность характеристик, высокую прочность и качество поверхности. Недостатки – это ограничение по размерам пресс-форм, высокая стоимость оснащения, сложность в управлении температурой и давлением, а также ограничения по типу термореактивной матрицы​.

Рисунок 4. Горячее прессование

Как уже говорилось ранее композитные материалы уже применяют в проектировании и последующем конструировании.

1. МС-21 (рабочее название Иркут МС-2

Крыло и значительная часть обшивки выполнены с применением полимерных композитов; доля композитов в конструкции достигает примерно 30-40%, что позволяет снизить массу и повысить топливную экономичность по сравнению с традиционно металлическими решениями.

2. Sukhoi Superjet 100 (SSJ100)

В конструкции используются композитные детали фюзеляжа и хвостового оперения, а также элементы обтекателей и закрылков, что способствует снижению массы и улучшению аэродинамических характеристик по сравнению с полностью металлоконструкциями.

3. Boeing 777X

В рамках семейства 777X применены композитные складные крылья и ряд композитных деталей фюзеляжа и обшивки, что позволяет значительно снизить вес по сравнению с аналогичными металлоективами и улучшить топливную эффективность.

В заключение можно сказать, что композитные материалы сегодня занимают важное место в авиастроении благодаря своим уникальным свойствам – снижению веса, прочности и долговечности. Различные технологии производства композитов позволяют адаптировать материалы под конкретные задачи и детали самолётов. Хотя каждый метод имеет свои плюсы и минусы, все они вносят вклад в создание более эффективных и функциональных конструкций. Усиленное использование композитов в современных самолётах показывает, что эти материалы способны удовлетворять современные требования авиационной индустрии, при этом оставаясь экономически обоснованными и технологически доступными.