Малая авиация с использованием карбона

Отличить военный и гражданский самолет, в принципе, может каждый без углубления в конструкции и тактико-технические характеристики. А вот для понимания малой авиации лучше немного конкретизировать понятие. Ведь оно не ограничивается визуальным восприятием, а опирается исключительно на российское законодательство, хотя, по мнению специалистов, всё равно остается весьма расплывчатым.

К тому же, у названия категории малой авиации есть множество синонимов, которые можно увидеть в публикациях: частные, деловые, спортивные, сверхлегкие и легкомоторные самолеты.

Определение малой авиации

Итак, принадлежность воздушного судна к малой авиации, главным образом, определяется его взлетной массой, которая рассчитывается как вес, помноженный на силу гравитации. Исходя из численных значений, принадлежность определяется довольно точно:

• самолеты со взлетной массой от 495 кг силы до 8 600 кг (вместимость — до 19 человек);

• вертолеты со взлетной массой тоже от 495, но до 4 500 кг силы;

• беспилотники со взлетной массой до 8 600 кг силы.

Но вообще понятие малой авиации не ограничивается только внешними параметрами летательного аппарата — это еще и вся инфраструктура обслуживания.

В связи с таким диапазоном характеристик неудивительным кажется тот факт, что 80 % от общего числа воздушных судов в мире приходится именно на малую авиацию. И, скорее всего, это и объясняет высокий интерес ученых к новым открытиям в области таких самолетов не только с точки зрения их конструкции, но и материаловедения.

Композитные материалы в малой авиации

В самолетостроении идет постоянная борьба за уменьшение веса и повышение топливной эффективности. Сегодня это достигается не только выбором силовых схем, но и использованием новых материалов, к которым, в первую очередь, относят композиционные (композиты), в том числе карбон. Именно они, благодаря высокой удельной прочности (прочность на единицу массы), а также возможности легко менять структуру и форму при относительной простоте комбинирования с другими материалами, заслуженно стали предметом пристального внимания, изучения и применения.

Но базовой особенностью конструкции из углепластика является не просто факт его использования в ней, а очень тесный союз этого материала, применяемой к нему технологии и особенностей самой конструкции. Все попытки несоблюдения этого принципа, согласно практике, заканчиваются неудачей.

Авиастроение без углепластиков

Да, применение карбона в авиации привело к весьма ощутимому снижению затрат топлива — но, тем не менее, не для всех деталей конструкции он подходит. К примеру, такие детали, как фюзеляж, крылья, хвостовое оперение, а также элементы конструкций, используемых в интерьере, и так далее возможно выполнить из углепластиков. Но вот для головного (носового) обтекателя лучше использовать стеклопластик, несмотря на его больший вес и меньшую прочность — ряд специфических требований к материалу носовой части самолета обусловлен расположением там управляющих антенных устройств. Так, материал должен пропускать радиоволны в определенном диапазоне частот без искажений и, к тому же, хорошо защищать работающую радиоаппаратуру в условиях действующих аэродинамических тепловых нагрузок, а характеристики прочности и диэлектрические свойства его должны быть стабильными на протяжении длительного срока эксплуатации, закладывается который еще во время проектирования.

К сожалению, углеволокно и обладает токопроводящими свойствами, и является источником помех, поэтому никак не может быть использовано для создания радиопрозрачных обтекателей.

Также невозможно пока заменить металлические детали реактивного двигателя композитными, так как полимеры не могут работать в том диапазоне температур. Но это чаще относится к военным и дальнемагистральным гражданским воздушным судам.

Из карбона не производят и стойки шасси из-за высоких ударных нагрузок.

И некоторые механические узлы крыла тоже пока производят из металлов.

И тем не менее…

Карбон — революция в самолетостроении

Мы специально не заостряем внимание на аэродинамических требованиях, поскольку тут для углепластика препятствий нет: технология позволяет получить любую геометрию, которая обладала бы заданной прочностью и обеспечивала практически идеальную аэродинамику.

Кроме того, вес деталей из композитных материалов на основе углерода составляет не более 20 % алюминиевых аналогов. При этом прочность, гибкость, устойчивость к коррозии и давлению в несколько раз их превосходят. Очень важно еще и то, что в углеволоконных композитах не содержатся формальдегид и ядовитые газы, поэтому карбон более экологичен (хотя при нагревании картина может меняться).

В связи со всем этим углеродные волокна и стали применяться для создания обшивки, нервюр, лонжеронов и тому подобных участков — одним словом, для высоконагруженных деталей — что позволило совершить качественный скачок в разработках, связанных с увеличением мощности двигателей, поскольку вес летательного аппарата значительно снизился.

Так что теперь высокомодульные карбоволокниты применяются в тепловой защите, дисках авиационных тормозов, а также для производства аппаратуры с высокой химической устойчивостью. И сегодня в малой авиации уже никого не удивить использованием углеродного композита в создании вертикального оперения и тормозных дисков (из углерод-углеродных композитов).

Вот почему современные самолеты, используемые в малой авиации, состоят практически на 65 % именно из композитных материалов. Металлы же используются лишь для производства стоек шасси и некоторых частей двигателя (если он не реактивный).

Привлекательность конструкционных полимерных композитов для авиации

Как известно, карбон представляет собой единую структурную целостность, которая обладает рядом свойств как готовое изделие, но каждый ее компонент в отдельности этими свойствами не обладает. К тому же, наличие границы между армирующими компонентами и матрицей значительно увеличивает устойчивость материала к образованию трещин. Кроме того, в отличие от металлов с однородной структурой, в композитах увеличение статической прочности не снижает, а увеличивает характеристики вязкости разрушения.

Также одним из свойств углепластиков, которое имеет большое значение (и не только для авиастроения), является их анизотропность. Ведь это дает возможность еще на этапе проектирования закладывать прочность детали. Само упрочнение обычно проходит вдоль волокна, поэтому, выкладывая карбон слоями с чередованием его направления, можно уровнять прочность в длину и ширину. Кроме этого, материал еще упрочняют в 3-м направлении, а именно — методом прошивки дополнительными волокнами вертикально.

Таким образом, благодаря анизотропности и чередованию выкладки по направлению волокон, определяются и свойства конечной детали.

Производство деталей из карбона для малой авиации

Для производства деталей самолетов для малой авиации используют технологию формования препрегов и вакуумной инфузии — когда в специальный пакет укладывают сухой материал и подключают оборудование, при помощи которого создается вакуум, затягивающий и равномерно распределяющий связующее.

Такая технология является не такой дорогостоящей, как технология с использованием автоклава, особенно если учитывать большие размеры деталей. Тем более что для вакуумной инфузии можно изготовить пакет любых размеров и производить крупные детали с любой геометрией.

Сложности с углепластиками применительно к авиастроению

На фоне всех положительных сторон, композиты всё же не лишены недостатков, которые ограничивают сферу их использования. Так, например, анизотропия, несмотря на то что позволяет получать нужную прочность, тем не менее, характеризуется непостоянством от одного образца к другому. Компенсируется это увеличением коэффициента запаса прочности, что лишает углепластик преимуществ по показателям удельной прочности. Но это относится в большей степени лишь к военной авиации в силу совершенно других нагрузок и условий полета.

Но и применительно к малой авиации на данный момент можно выделить следующие недостатки полимерных композитов:

• стоимость производства, которая еще пока достаточно высока из-за большой наукоемкости производства, цене сырья и оснастки. Хотя окупаемость такой техники вполне возможна — при длительной ее эксплуатации;

• малая ударная вязкость, приводящая к увеличению вероятности повреждений и появлению скрытых дефектов, которые сложно обнаружить визуально (речь идет о микротрещинах, приводящих к расслоению материала в условиях длительных циклических нагрузок). Диагностика таких трещин тоже достаточно сложная и трудоемкая;

• при эксплуатации такие материалы могут выделять токсичные пары, что важно, если детали расположены рядом с человеком (например, фюзеляж). Правда, частично проблему горючести устраняют добавлением антипиренов, но вопрос еще требует исследований и поиска решений;

• низкая ремонтопригодность и эксплуатационная технологичность. Также довольно высока стоимость самой эксплуатации, которая требует использования трудоемких технологий и специальных инструментов, чтобы иметь возможность производить ремонт или доработку конструкций. К тому же, существующие технологии ремонта нельзя назвать надежными, а иногда его и вовсе невозможно осуществить.

Всё это — повод для дальнейших исследований с дальним прицелом оптимизации производства и обслуживания.

Так ли всё плохо?

Российские реалии таковы, что до недавних пор изготовление деталей из композитных углеродных материалов было привязано сугубо к иностранному производителю. Однако в последние годы в рамках программы импортозамещения российские производители вышли на внутренний рынок со своими новшествами.

Так, в рамках этой государственной программы в России активно стартует производство гражданских самолетов, относящихся к малой авиации следующего поколения, с применением углеродных композитов отечественного производства. Например, инженеры ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт им. Н. Е. Жуковского) продемонстрировали кессон крыла самолета именно малой авиации, рассчитанного на 9 мест. А исследования доказали, что по показателям прочности мы вовсе не уступаем зарубежным производителям. Кроме того, еще в 2017 году в Новосибирске можно было наблюдать первый полет цельнокомпозитного воздушного судна ТВС-2ДТС отечественного производства. Свой вклад в развитие данной области готова внести и наша компания Carbon Composites, берясь за выполнение изделий из карбона среди прочего и для авиастроения.

Более того, указанные объективные трудности не останавливают исследований в данной области (скорее, наоборот — стимулируют разработки), поскольку перспективы действительно очень большие. На сегодняшний день это дает возможность повысить прочность, безопасность, надежность и долговечность самолетов малой авиации с помощью карбона. Иными словами, как будут в будущем развиваться технологии получения композитных материалов, таковыми будут и ее перспективы, особенно для отечественного самолетостроения.