Госкорпорация Ростех
17 декабря 2021, 11:50
Композитные преимущества
Композиты в свое время совершили настоящую революцию в авиастроении и продолжают развиваться
Рассказываем, из чего строят современные самолеты, как создают "черное крыло" и какие преимущества предоставляет лайнеру углепластик.
Композиты в небе
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. Поэтому именно в авиастроении композиты стали особенно популярны - они увеличивают прочность авиационных деталей, снижают их вес и увеличивают антикоррозийную стойкость.
Применять композиционные материалы авиаконструкторы начали примерно с 1960-х годов. С того времени объем использования композитов в авиации неуклонно возрастает. Например, ровно половину веса самолета Boeing 787 Dreamliner составляют композиционные материалы, 20% - алюминий, около 15% - титан, 10% - сталь.
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. Кроме того, это первый российский самолет с крылом, полностью состоящим из композиционных материалов, а также первый в мире среди лайнеров такого класса.
Долгое время было распространено мнение, что композиты выгодно использовать только на больших летательных аппаратах - широкофюзеляжных дальнемагистральных лайнерах. Не такие большие, хотя и более массовые узкофюзеляжные самолеты, получали лишь некоторые композитные детали, такие как элементы механизации крыла. В проекте МС-21 конструкторы корпорации "Иркут" продемонстрировали, что использование композитов для изготовления крыла среднемагистрального самолета выгодно по всем параметрам.
"Черное крыло" для российской авиации
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. Для углепластикового крыла МС-21 удалось достичь этого показателя на уровне 11,5.
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. Плюс к этому преимуществу - увеличенная крейсерская скорость и высота полета.
Прочнее, легче и дешевле
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. При этом выбор правильной технологии изготовления композитов может даже снизить суммарную себестоимость лайнера.
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. После выкладки этот "сэндвич" (препрег) проводит восемь часов в автоклаве, где превращается в прочную и легкую авиационную деталь.
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. Все эти преимущества делают производство "черного крыла" выгодным.
"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. Тем самым не нужно тратить время и затраты на сборку непосредственно на авиазаводе.
Корпорация "Иркут" уже завершила постройку первого самолета МС-21-300, крыло которого изготовлено из полимерных композиционных материалов российского производства. 30 ноября 2021 года самолет был переведен из цеха окончательной сборки Иркутского авиационного завода в летно-испытательное подразделение.
Вклад композитных материалов в авиастроение сложно переоценить. В то же время, авиастроительная отрасль сыграла значительную роль в эволюции самих композитов. Стремление конструкторов сделать самолеты прочнее и легче, становится стимулом для создания все более легких и прочных материалов. Ими стали композиты и совершили своеобразную революцию в авиастроении и ракетно-космической области. Сегодняшнее применение композитов в этой сфере - лишь начало большого пути....
Авторские права на данный материал принадлежат «Госкорпорация Ростех». Цель включения данного материала в дайджест - сбор максимального количества публикаций в СМИ и сообщений компаний по авиационной тематике. Агентство «АвиаПорт» не гарантирует достоверность, точность, полноту и качество данного материала.
Поделиться
Май 3, 2024
Аэрофлот открыл онлайн-продажи субсидируемых билетов для жителей Калининградской области
Май 3, 2024
Делегация МГТУ ГА приняла участие в памятных мероприятиях, посвященных Дню Победы
Май 3, 2024
Республика Татарстан получила земельные участки для реконструкции перрона Международного аэропорта "Казань"
Май 3, 2024
Студенты РГАТУ имени П.А. Соловьева стали призерами Всероссийской научно-технической конференции