Композиты в авиации — веление времени

28 — 30 марта 2023 года в Москве состоялась XV международная выставка «Композит-ЭКСПО». Множество представленных экспонатов и ряд конференций помогли участникам и посетителям выставки оформить договоры и намерения о внедрении композитных материалов в изготовление промышленных изделий, в том числе и летательных аппаратов (ЛА).
Как пример информационного резонанса от этого мероприятия, 30 марта 2023 года на сайте холдинга «Росэлектроника» госкорпорации «Ростех» появилось короткое сообщение, что в России создан композит (стелс-материал), опытные образцы которого успешно прошли испытания. Этот материал может быть использован на военных самолетах. Он поглощает 95 % излучения радиолокационных станций в широком диапазоне частот, облучающих самолет. Применение стелс-материала существенно затруднит обнаружение ЛА. Генеральный директор Центрального конструкторского бюро специальных радиоматериалов, входящего в «Ростех», Алексей Дымовских пояснил, что «проблема создания конструкционного радиопоглощающего материала давно стояла в современном военном авиастроении. Теперь она решена».
Из полученного материала, например, можно изготавливать лопатки компрессоров авиадвигателей — ведь они являются одними из самых заметных деталей в радиодиапазоне. В указанном материале были соединены три слоя стеклоткани. Основой для него стали тонкие нити с металлическим сердечником в стеклянной изоляции. Данное конструкционное решение предложено впервые в мире.
При создании самолетов-невидимок в настоящее время в основном используются радиопоглощающие покрытия, наносимые на ЛА. Новый материал не надо наносить на поверхность, он станет частью конструкции машины.
Данное прорывное открытие подтверждает современную тенденцию внедрения в авиацию композитов, которые, однако, применяются там уже давно. Обратим внимание, что композиты на основе стеклопластика являются диэлектриками, а на основе углепластика — проводниками электричества.
Сама идея композитов известна с начала ХХ века. Принцип усиления синтетических смол волокнами впервые был запатентован в 1909 году.
С появлением в 1936 году стеклопластика на основе полиэфирной смолы (30 % смолы, 70 % волокон), позволяющего применять его для формообразования, началось развитие авиационных композитов.
В 1940-х годах композиционные материалы были использованы для изготовления радиопрозрачных обтекателей радиосистем военных самолетов. В 1960-е годы началось их широкое применение в авиации. Этому способствовали два обстоятельства: появление тонких высокопрочных волокон малой плотности и получение синтетических смол с высокими механическими, адгезионными (сцепляющими) и технологическими свойствами. В 1970-е годы, например, в конструкции палубного самолета МиГ-­29К появились детали из углепластика общей массой 156 кг, что позволило достигнуть снижения массы на 150 кг.
В нашей стране первым самолетом, в котором масштабно были применены композиты, стал учебно-пилотажный моноплан Су-26М (1984 г.). Вся обшивка этого самолета, каркас и механизация крыла, балки хвостового оперения и киль сделаны из композиционного материала на основе угле- и органопластиков. Количество композитов по массе в этом самолете составило более 50 %.
В выпущенном в начале 1990-х среднемагистральном Ту-204 из композитных материалов сделано 25 % деталей, в том числе закрылки, элероны, интерцепторы, рули высоты и направления, а также панели люков, полов и интерьера.
В современном вертолетостроении композиты на основе стекло- и углеродного волокна применяются в конструкциях лопастей несущего винта и фюзеляжа.
В настоящее время среди наиболее важных требований, предъявляемых к конструкциям ЛА, можно назвать минимальную массу, максимальную жесткость и прочность узлов, максимальный ресурс работы, высокую надежность. Композиты удовлетворяют всему комплексу перечисленных требований. Композиционные материалы обладают по сравнению с металлами значительно более высокой усталостной прочностью.
Познакомимся с азами композитной науки. Композит — это материал, состоящий из двух или более компонентов, которые в сочетании друг с другом создают новый материал или улучшают характеристики одного из них.
Все композиционные материалы в своем составе имеют матрицу и наполнитель. Матрицей чаще всего является полимерный материал. В качестве наполнителя, как правило, используют углеродные или стеклянные волокна. Такая конструкция позволяет создавать легкие, но очень прочные детали. Поэтому именно в авиастроении композиты стали особенно популярны — они увеличивают прочность летательного аппарата, снижают его массу и увеличивают антикоррозийную стойкость.
На сегодняшний день известны два основных способа производства композитов. Первый, наиболее «древний», — автоклавный. Поясним, что автоклав — герметичный аппарат для нагрева под давлением. В автоклаве формируется своеобразный «бутерброд»: внутри — соты, сверху и снизу — сотни слоев углепластика. «Бутерброд» называют препрегом — материалом-полуфабрикатом. Для того чтобы препрег стал прочной и легкой деталью, его до десяти часов выдерживают в автоклаве. В автоклавном методе делаются простые детали, потом их надо крепить, но за счет крепежа увеличивается масса.
Второй способ производства композитных элементов — инфузионная технология (инфузия — это введение жидкости). Главное достоинство данного метода — возможность изготовлять достаточно быстро весьма сложные конструкции, например панель крыла. Инфузионная технология менее энергозатратна по сравнению с автоклавным методом.
В России имеется едва ли не единственный завод по производству аэроизделий методом инфузионной технологии. Это ульяновский завод «АэроКомпозит». Здесь данная технология впервые в мире применяется при изготовлении крыльев. На «АэроКомпозите­» производят «черное» крыло (характерный цвет изделий из углепластика) для самолета МС-21.
Затем крылья из отечественного композита направляются в авиастроительную корпорацию «Иркут», которая строит самолеты МС-21. Первые испытания такого самолета начались 30 ноября 2021 года.
Композитное крыло считается главной особенностью МС-21. Оно позволяет лайнеру расходовать на 8 % меньше топлива по сравнению с аналогами. За время эксплуатации такой самолет с «обычным» алюминиевым крылом тратит 140 тысяч тонн горючего. МС-21 только за счет композитного крыла экономит более 11 тысяч тонн топлива.
При создании самолета конструкторы всегда стараются увеличить удлинение крыла — отношение размаха крыла к его средней хорде. Чем длиннее крыло, тем меньше сопротивление. Проблема алюминиевого крыла была в том, что его удлинение приводило к увеличению массы. Ведь алюминий — мягкий металл, и чтобы крыло из него вышло достаточно жестким и не прогибалось в полете, нужно увеличивать его толщину. Поэтому удлинение алюминиевого крыла на самолетах не должно превышать восьми-девяти единиц. Углепластик — более жесткий материал, поэтому крылья из него могут достигать удлинения 10 — 11 и даже больше. Для крыла МС-21 удалось выйти на показатель 11,5 (высшее мировое достижение). Аэродинамическое качество (отношение подъемной силы к силе лобового сопротивления) за счет этого возросло. Следовательно, увеличилась скорость и высота полета, а также прочность конструкции. В целом самолет стал прочнее, легче и дешевле. МС-21 — рекордсмен среди отечественных лайнеров: 40 % его массы — композиты.
Одними из самых распространенных полимерных (длинных повторяющихся цепочек молекул) композитов, которые разработаны в Государственном научном центре РФ — Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов (ВИАМ), являются стеклопластики. На сегодняшний день их насчитывается в ВИАМ более 60 марок. С 2017 года ВИАМ начал выпускать и углепластики.
В нашей стране производством композиционных материалов занимается в основном компания UMATEX (Юматекс), входящая в госкорпорацию «Росатом».
Таким образом, для увеличения применения в отечественной авиации композитов в России есть соответствующие разработки и производство.
Сергей Елисеев.
Фото Объединенной авиастроительной корпорации