На тему: «Композиционные материалы в авиастроении»
Выполнил: ст. гр. КТО-341з
Карпухина О.С.
Проверил: доцент
Самоделкин В.П.
г. Кумертау
2019 г.
Введение
Среди наиболее важных требований, предъявляемых к конструкциям современных ЛА можно назвать: минимальную массу, максимальную жесткость и прочность узлов, максимальный ресурс работы конструкций в условиях эксплуатации, высокую надежность.
В настоящее время главным классом материалов, удовлетворяющих всему комплексу перечисленных требований, являются КМ-композиционные материалы на основе современных стеклянных волокон в сочетании с полимерными, металлическими, углеродными и другими видами матриц(связующих).
Сама идея композитов известна давно. Принцип усиления синтетических смол волокнистыми материалами впервые был запатентован 1909 году. Однако широкое применение их в конструкциях началось только в 60-е годы ХХ столетия. Этому способствовали два обстоятельства:
- создание методов получения тонких высокопрочных волокон малой плотности;
- получения синтетических смол с высокими механическими, адгезионными и технологическими свойствами.
Принципиальное значение замены традиционных конструкционных материалов на композиты состоит, очевидно, в том, что вместо металлов с равными во всех направлениях свойствами появляется возможность использования большого числа новых материалов со свойствами, различающимися в различных направлениях в зависимости от ориентации наполнителя. Причем это различие свойств является регулируемым, и у конструктора появляется возможность целенаправленно создавать КМ под конкретную конструкцию в соответствии с действующими нагрузками и особенностями ее эксплуатации. Немаловажным являются также технологические возможности полимерных композитов. В композитах армирующие элементы соединены изотропной полимерной, металлической или другими видами матрицы, которая обеспечивает монолитность материала, фиксирует форму изделия, способствует совместной работе волокон и перераспределяет нагрузку при разрушении части волокон. Тип матриц определяет также метод изготовления конструкции.
Важнейшие преимущество композитов - возможность создания из них элементов конструкции с заранее заданными свойствами, наиболее полно соответствующими характеру и условиям работы. Многообразие волокон и матричных материалов, а также схем армирования, используемых при создании композитных конструкций, позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и микроструктуры композита.
Применение композиционного материала в отечественном авиастроении
Композиты давно используются, например, Казанским авиационным производственным объединением (КАПО) им. Горбунова. В выпущенном в начале 90-х среднемагистральном Ту-204 из композитных материалов сделано 25% деталей, в том числе вся механизация крыла: закрылки, элероны, интерцепторы, рули высоты и направления, а также панели люков, полов и интерьера.
В октябре этого года впервые в воздух поднялся новый военно-транспортный самолет Ил-476 (Ил-76МД-90А). Самолет на 70% состоит из новых компонентов, по сравнению с предыдущими версиями Ил-76. Помимо новой силовой установки, адаптера аналоговых и цифровых систем было сделано новое композитное крыло. Ил-476 является глубокой модернизацией транспортника Ил-76МД. Благодаря новым двигателям ПС-90А-76 и усиленным композитным крыльям максимальная взлетная масса самолета составляет 210 тонн, по сравнению с 217 тоннами у Ил-76МД. При этом грузоподъемность транспортника увеличилась с 50 до 60 тонн.
Сейчас в России разрабатывается новый проект Иркут МС-21 («Магистральный Самолёт XXI века») -- проект ближне-среднемагистрального пассажирского самолёта, который в будущем должен прийти на смену Ту-154 и семейству Ту-204 на российском рынке пассажирских самолётов и выйти на «тесный» международный рынок, где доминируют гиганты Airbus и Boeing с самолётами-бестселлерами Airbus A320 и Boeing 737.
МС-21 задумывался как инновационный самолет. Главная из инноваций: впервые в России и, более того, ранее чем у многих ведущих авиационных производителей самолет будет иметь композитное крыло. Принципиально важно, что речь идет не просто о широком применении композитов, а о их использовании в высоконагруженных конструкциях.
Это в свою очередь оказывает существенное влияние на аэродинамическую компоновку и на аэродинамику самолета. Традиционно аэродинамики стараются увеличить удлинение крыла (отношение размаха крыла к средней хорде крыла), поскольку это способствует уменьшению сопротивления. Однако это стремление упирается в увеличение массы конструкции, что заставляет искать оптимум, компромисс.
Исследования подтвердили, что композитная конструкция позволяет заметно увеличить удлинение крыла по сравнению с металлическими конструкциями, -- что и реализуется на МС-21. Типовое удлинение крыла у самолетов прошлого поколения около 8-9, в современных самолетах -- 10-10,5, а на МС-21 закладывается 11,5. В результате аэродинамическое качество -- а это основной параметр, характеризующий совершенство самолета, -- на больших скоростях полета у МС-21 выше, чем у лучших современных аналогов, на 5-6%. По нынешним меркам это большое преимущество. Отсюда существенная экономия топлива, увеличенная крейсерская скорость и высота полета.
Таким образом, главная особенность данного самолета заключается в так называемом «черном» (композитном) крыле лайнера. Из композитов у МС-21будут сделаны также отдельные элементы фюзеляжа, центроплан и оперение.
По сравнению, например, с российским самолетом Ту-204, у которого доля углеродных композитов в массе планера составляет 14%, у нового лайнера это число увеличено почти до 40%.
На данный момент производство и использование «крылатых композитов» на территории России не такое обширное, как за рубежом. Однако, наша страна стремительно набирает обороты в этой отрасли самолетостроения. Совместно с компаниями «Объединенная авиастроительная корпорация» и «Авиационная холдинговая компания «Сухой» была создана компания «Аэрокомпозит», которая будет вести производство деталей на заводах Казани (совместно с КАПО им. С.П. Горбунова) и Ульяновска уже не только для российского, но для зарубежного рынка. На заводах будут выпускаться элементы кессона крыла, лонжероны, интегральные панели крыла, и элементы механизации для российских самолетов МС-21 и Superjet 100. В Казани также будет организовано производство деталей для самолетов компаний Boeing и Airbus, которые будут выпускаться под маркой партнера предприятия, австрийской компании FACC. Первое композиционное крыло для самолета МС-21 будет произведено в конце 2013 года. Компания планирует выпускать детали для 60-80 самолетов в год, на каждый из которых приходится около 3 тонн композитных материалов.
В производстве спортивных и военных самолетов компания «ОКБ Сухого» впервые применила композиционные материалы в самолетах третьего и начала четвертого поколения - обтекатели радаров производились из фенолформальдегидных композиционных материалов. Сейчас компания производит детали из углеволокна, а препрег (композиционный материал-полуфабрикат) изготавливается на специализированных предприятиях.
Данный материал используется для производства носовых обтекателей истребителей пятого поколения и почти всего планера спортивных самолетов. Авиация предъявляет специальные требования к материалу. Он должен быть радиопрозрачным и обладать высокой стабильностью свойств. Одним из важных свойств препрега для компании является возможность его хранения длительный период без потери свойств. Показатель для нового препрега составляет 2 месяца.