Карбоновые лопасти для вертолетов

Еще с 2012 года начальники вертолетостроения разных стран всерьез занялись переоснащением вертолетной техники, в частности заменой ее лопастей карбоновыми. Причин на то достаточно, и для человека, немного знающего свойства и характеристики карбона, они очевидны:

• более высокий срок службы;

• устойчивость к повреждениям;

• надежность;

• отсутствие коррозии.

Несмотря на то, что эти лопатки не являются единственным важным структурным элементом, от которого зависят тактико-технические характеристики вертолета, тем не менее, именно на них в свое время мировые производители военной техники оттачивали навыки работы с данным композитом.

Требования к лопастям вертолетов для повышения функциональности

Лопасти, или лопатки, несущего винта вертолета работают не так, как работает, например, крыло самолета. Отличие в том, что приходящиеся на них нагрузки во времени непостоянны. Поэтому одна из главных задач лопаток — создание определенной подъемной силы, причем с запасом прочности и учетом изменчивости условий полета.

Также лопатки несущего винта у вертолета всегда работают в сложных условиях, поскольку на них воздействуют аэродинамические нагрузки, постоянно пытаясь их скрутить, растянуть, изогнуть, сломать и освободить от обшивки. Отсюда понятно, почему такой параметр, как прочность, для лопасти очень важен.

Еще одним важным нюансом, который учитывают разработчики, является и способ посадки вертолета, особенно в сложных погодных условиях (в частности при сильном ветре) и ограниченности площади приземления. Так, двигаться вертолету зачастую приходится в самых разных условиях: дождь, снег, туман, реалии, приводящие к обледенению, и другие. И одно только обледенение чревато наростами льда, сила воздействия которых направлена на увеличение общего веса лопаток и изменение под тяжестью их профилей. А капли дождя, которые нам с земли кажутся безобидными (хотя и неприятными), попадая на поверхность лопасти при высокой скорости, способны сбивать с них краску. И даже если вертолет просто стоит на стоянке, те же атмосферные условия тоже воздействуют на лопатки, хотя и без сильных разрушений с учетом отсутствия скорости.

Всё это обуславливает такие требования к используемым в производстве лопастей материалам для них:

• механические свойства материала лопатки и соединений не должны меняться с течением заданного термина эксплуатации, независимо от изменчивости атмосферных явлений, включая критические значения и перепады температуры;

• должен быть высокий показатель усталостной прочности, а именно — высокая сопротивляемость в местах концентрации напряжений и сопротивление к образованию и распространению трещин;

• должна быть возможность производства лопасти заданной формы сечения, профиля и размера, возможность упрочнения ее конструкции, а также должно быть высокое качество мест соединений;

• изделия должны быть ремонтопригодными, а также иметь доступную стоимость при производстве и регламентном обслуживании.

И при всем этом инженеры-проектировщики стремятся не только к повышению прочности лопастей и их защите от атмосферных явлений. Ибо при таком подходе можно было бы просто покрыть цельнометаллические лопатки антикоррозийным защитным слоем. Но лопасть не должна быть еще и слишком тяжелой. По этой причине их делают полыми.

Основу такой конструкции составляет лонжерон, который часто производят из стальной трубы с непостоянным сечением, площадь которого либо плавно, либо ступенчато уменьшается по направлению от корневой части к концу. В настоящее время некоторые производители при изготовлении лонжерона стали использовать углепластик.

Эра карбона для лопастей вертолетов

До недавнего времени основными веществами для изготовления лопаток вертолетов являлись алюминиевый и титановый сплавы, а также нержавеющая и легированная сталь. Сегодня же самым практичным решением, которое удовлетворяет львиную долю требований к созданию идеальной лопатки, является именно карбон — современный композитный материал.

Авиация еще несколько десятилетий назад внимательно присматривалась к этому композиту, ибо он позволял создавать конструкции относительно небольшого веса, но не уступающие по износоустойчивости и прочности популярным металлическим сплавам. К тому же, такой подход практически не снижал тактико-технические характеристики. А прогрессивные системы моделирования вообще позволяют экспериментировать в поисках идеального варианта. Тем более что вертолетостроение как часть авиастроительной отрасли сегодня делает основной упор на высокомодульные материалы, устойчивые и адаптируемые к любым условиям эксплуатации.

На то есть несколько причин, основанных на характеристиках углепластика:

1. Используемые в авиастроении композитные материалы — это совокупность однонаправленных слоев либо тканевых армирующих волокон, имеющих неодинаковую толщину и углы ориентации. Как результат, это материалы, свойства которых определены параметрами и структурой составляющих их слоев. Это один из основных параметров композитов: анизотропия — свойство, открывшее доступ к большим возможностям использования карбона именно в лопастях вертолета: можно задавать характеристики жесткости с параметрами прочности на изгиб, кручение или при других сложных нагрузках. Достигается это именно ориентированием армирующих волокон углепластика. Причем регулировать анизотропию карбона возможно в очень больших пределах, что в свою очередь дает возможность получить определенные демпфирующие показатели лопатки.

2. Аэродинамические характеристики, а также параметры аэроупругости лопастей из углепластиков можно выбирать практически без тех ограничений, которые, как в случае использования других материалов, накладываются на технологический процесс. Например, ограничения существуют при получении экструдированных, катаных элементов из металла, включая те, что должны подвергаться определенной механической обработке.

3. В случае использования такого композитного материала, как углепластик, практически отсутствуют ограничения на сложность профиля конструкции. Поэтому с его применением стали доступны сложные аэродинамические формы, что в совокупности с анизотропией дает возможность задавать расчетную жесткость. Это позволило увеличить аэродинамическую эффективность несущих винтов, которая определяется как соотношение подъемная сила / аэродинамическое сопротивление.

4. Более высокая удельная прочность карбона позволяет изготовить лопасти с меньшим весом по сравнению с лопатками из металлов. Уменьшение их веса, разумеется, положительно сказывается на центробежной силе винта, инерции ротора и прочих характеристиках.

5. Выбор вида армирующих волокон в зависимости от модуля упругости, их смешивание с другими типами волокон и ориентации относительно оси лопасти — параметры, которые можно задать, чтобы определить частоту их же собственных колебаний. Увеличить крутильную жесткость, например, можно добавлением слоев, ориентированных на ± 45 ° относительно оси размаха лопатки. При этом частота продольных колебаний изменится незначительно.

Причем, несмотря на начальные данные углепластиков и на все восхищенные возгласы всех, кто связан с авиастроением, эти материалы с годами всё улучшают собственные характеристики, благодаря прогрессивным технологиям!

Сложности и типы используемых композитов

Для ожидаемой реализации всех преимуществ композитных материалов необходимо решать целый комплекс задач. А именно: правильный выбор разновидности армирующих волокон и матрицы, показатель жесткости на их границе, определение структуры, отвечающей потенциальным внешним нагрузкам, ряд технологических ограничений для других конструктивных элементов лопасти и многие другие.

Наиболее распространенным композитным веществом для изготовления вертолетных лопастей еще не так давно был стеклопластик. Связано это с его более низкой стоимостью. К углепластику же долгое время относились настороженно по причине его бывшей чувствительности к ударным нагрузкам. Однако со временем этот недостаток обошли применением гибридных сочетаний — например, карбоновых и арамидных волокон — что в несколько раз повысило ударную вязкость и удельную прочность конечного материала.

Тут можно также добавить, что несмотря на то, что ВПК во всем мире обычно не обращает внимания на экономию средств, тем не менее, производители стараются подходить к вопросу вертолетостроения рационально, а не бить из пушки по комарам. В связи с этим тип композита для изготовления лонжерона лопатки выбирают, основываясь на летно-технических параметрах вертолета, в частности, на нагрузку лопастей.

Российские реалии использования вертолетов

Популярные у нас условия пустыни для эксплуатации вертолета не самые лучшие, поскольку взлетать и садиться приходится на необорудованные площадки в условиях сильной запыленности и песчаных вихрей, что всегда снижает ресурс лопастей. Тем более что не только сам песок является абразивом в таких случаях, но и пыль, пелена которой достигает нескольких сотен метров в высоту!

Вот почему опыт военной кампании в Сирии послужил началом замены цельнометаллических лопаток несущих винтов на углепластиковые, ибо для последних характерна более высокая усталостная прочность, значительно увеличивающая ресурс лопастей и как следствие всей техники.

Кстати, цельнометаллические лопатки еще лет 10 назад использовались весьма активно и успешно по причине их сборной конструкции, включающей несколько элементов, которые при повреждении легко можно было менять. Лопасть же из карбона менялась целиком, что было неудобно и неэффективно с точки зрения финансов.

Однако в 2016 году на вертолетном заводе им. М. Л. Миля в Москве изобрели и освоили некую технологию по производству лопастей несущего винта из композитного материала на основе углеволокнá. Особенность ее в том, что она целиком изготавливается в пресс-форме и прямо там же полимеризуется. Применяют теперь такие лопасти не для одних несущих винтов, но и для рулевых, включая мощный вертолет для транспорта Ми-26М2.

Отныне, как утверждают специалисты, применение цельнокомпозитных лопастей на такой машине, как Ми-28НМ, увеличивает его крейсерскую и максимальную скорость. Это стало одним из главных аргументов для отказа от цельнометаллических конструкций, особенно с учетом того, что также повышается и надежность.

Заключение

Карбоновые элементы в конструкции вертолета с каждым годом логично наращивают процент присутствия, а разработчики и технологи пытаются решить основную задачу повышения ресурса техники, применяемой в условиях пустыни, где не только лопатки подвергаются повышенному износу. Раньше одной из используемых технологий было нанесение специальных антиабразивных покрытий и упрочнение передних кромок лопастей. Вместе с тем, проведенная модернизация производства в последние годы была направлена на наращивание производственных мощностей.

Однако с учетом того, что военная область промышленности, как правило, — закрытая, об объемах современного производства нет точных сведений. Часть модернизации многие определяют по фотографиям общего доступа. Так, например, на общедоступном фото легендарного «Ночного охотника» были замечены новые лопатки несущего винта с модернизированной формой законцовок.

А еще решение об использовании на постоянной основе сирийской военной авиабазы в г. Хмеймим поставило вопрос о снижении затрат на эксплуатацию вертолетного парка машин, что отчасти тоже подтолкнуло интерес к новым разработкам композитных лопастей — и не только их…