В настоящее время композитные материалы стали одной из четырех основных систем материалов наряду с металлическими материалами, полимерными материалами и неорганическими не-металлическими материалами. Уровень национальной промышленности композитных материалов стал ключевым индикатором ее научной, технологической и экономической мощи. Передовые композиционные материалы являются источником конкурентных преимуществ для национальной безопасности и экономики. Прогнозируется, что к 2020 году только композитные материалы смогут повысить производительность на 20–25%.
1. Применение в конструкциях фюзеляжа самолетов.
Усовершенствованные композитные материалы используются для изготовления несущих конструкций-основной нагрузки и несущих конструкций-вторичной нагрузки, обеспечивающих жесткость и прочность, сравнимые с жесткостью и прочностью алюминиевых сплавов или превосходящие их. Эти материалы в настоящее время широко применяются при производстве конструкций фюзеляжа самолетов и интегрированных конструкций малых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Соединенные Штаты широко применяют композиты в истребителях и боевых самолетах. В 1960-х годах США впервые использовали углеродное волокно-пластик (CFRP) в военных самолетах для таких компонентов, как двери кабины, панели доступа, обтекатели и поверхности управления (например, элероны и рули направления) с низкими или не-нагрузочными-несущими требованиями. К началу 1980-х годов композиты превратились в «компоненты хвоста», такие как вертикальные и горизонтальные стабилизаторы (вторичные -несущие конструкции), как это видно на таких самолетах, как F-15, F-16, F-18, Mirage 2000 и Mirage 4000. На этом этапе использование композитов оставалось ограниченным. К концу 1980-х годов истребители четвертого поколения как и F-22 и F-35, JSF начал включать композиты в «основные несущие конструкции», такие как крылья и фюзеляжи, ускорив интеграцию композитов в военные самолеты. Использование композиционных материалов продолжает расти (Таблица 1-2), и в настоящее время они составляют 20–50% конструкционной массы в современных военных самолетах.
Британская компания ICI использовала GF/PA (вероятно, полиамид,-армированный стекловолокном) для производства клапанов для истребителей, гарантируя, что эти клапаны сохраняют рабочие характеристики и стабильность размеров даже после длительного воздействия топлива в широком диапазоне температур. Du Pont также использовала такие материалы, как GF, KF/PA и PPS (полифениленсульфид), для производства компонентов для военных самолетов.
Если взять в качестве примера истребитель четвертого-поколения F/A-22, то композиты составляют 24,2% его конструкционных материалов. Среди них термореактивные композиты составляют 23,8%, а термопластичные — примерно 0,4%. Около 70% термореактивных композитов основаны на бисмалеимидной смоле (БМИ), из которой производят более 200 видов сложных компонентов. Остальные термореактивные материалы в основном состоят из композитов на основе эпоксидной смолы-с дополнительным использованием композитов на основе цианатного эфира и термопластической смолы-. Ключевые области применения включают крылья, обшивку средней части фюзеляжа, шпангоуты и хвостовую часть.
В военной винтокрылой технике также широко используются композиты. Например, в конвертоплане V-22 Osprey более 40% массы конструкции, включая фюзеляж, крылья, хвостовое оперение и механизмы вращения, состоят из композитов, всего более 3000 кг композитных материалов. В новейшем европейском ударном вертолете Eurocopter Tiger 80% конструктивных компонентов изготовлены из композитных материалов, что приближается к полностью композитному планеру. Напротив, в военно-транспортных самолетах используется меньше композитов:-C-17 (8 %) и C-130J (всего 2 %), хотя военно-транспортный Airbus A400M имеет цельнокомпозитное крыло, при этом композиты составляют 35 % массы его конструкции в пустом состоянии.
В гражданской авиации в начале 1980-х годов в США-построенный в США одиночный-легкий самолет Star® имел конструкционную массу около 1800 кг, а композитные материалы превышали 1200 кг. Легкий самолет "Вояджер" 1986 года, конструкция которого более чем на 90 % состоит из композитов из углеродного волокна, установил мировой рекорд по беспосадочному-9-непрерывному-дневному кругосветному полету. Сегодня соперничество между аэрокосмическими гигантами Boeing и Airbus усилилось, при этом основное внимание уделяется увеличению использования композитных материалов (рис. 1-2).
Чтобы изготовить первый полностью-композитный фюзеляж самолета 787, компания Boeing применила метод укладки волокон, аналогичный тому, который используется Raytheon. В ходе процесса был создан композитный компонент фюзеляжа длиной 7 метров и шириной 6 метров. Эта конструкция была изготовлена с использованием технологии «Автоматическое размещение волокон (AFP)» на массивной вращающейся оправке. На оправке были предварительно-обработаны канавки, соответствующие форме и размерам стрингеров и лонжеронов фюзеляжа. Предварительно сформированные стрингеры и балки (сделанные из слоев препрега из углеродного волокна и отвержденные под давлением) были помещены в эти канавки перед намоткой. Во время производства оправка вращалась вдоль своей оси, позволяя непрерывно наматывать волокна на форму для формирования оболочки фюзеляжа, при этом оконные проемы оставались незаложенными. Оболочка фюзеляжа вместе с балками и стрингерами затем была -отверждена в автоклаве для создания монолитной композитной секции фюзеляжа, которая позже была извлечена из формы как конечный продукт.
Композитная секция фюзеляжа Боинга 787 — это не только самый большой в мире компонент фюзеляжа с намоткой из нити-, но и признанный самый большой сосуд под давлением из углеродного волокна, когда-либо созданный. Исключительная прочность на растяжение и окружность композитного материала позволяет ему выдерживать более высокое давление в салоне, поддерживая внутреннее давление, эквивалентное высоте 6000 футов (1830 метров)-по сравнению с типичными 7000–9000 футов в обычных самолетах-значительно улучшая комфорт пассажиров. Кроме того, композиты устойчивы к коррозии (основной недостаток металлических корпусов), позволяя влажности в салоне оставаться стабильной на уровне 10–15% (по сравнению с 5–10% в металлических фюзеляжах), что еще больше повышает комфорт.
Под растущим влиянием композитных технологий Airbus полностью изменил конструкцию A-350, переименовав его в A-350 XWB (Extra Wide Body). В самолете было увеличено использование композитных материалов с первоначальных 40% до 52%. Фюзеляж A-350 XWB на 13 см шире, чем у 787, что позволяет разместить «9 сидений в ряд» при компоновке с высокой плотностью размещения (по сравнению с максимальным количеством сидений в 787, составляющим 8 в ряд). Как и 787, A-350 XWB будет поддерживать давление в кабине на высоте, эквивалентной 6000 футам.
14 июня 2013 года компания Airbus успешно совершила первый полет своего нового широкофюзеляжного самолета A350 XWB, ознаменовав еще одну веху в мировой авиационной отрасли после Boeing B-787 Dreamliner. В A350 XWB и B-787 используются композитные материалы на 52% и 50% соответственно, что означает новую эру в разработке аэрокосмических композитов.
555-местный-кресло А-380, самый большой самолет в мире, добился революционных результатов в истории авиации благодаря широкому использованию «пластика, армированного углеродным волокном (CFRP)». Композитные материалы составляют «25% массы самолета», из которых 22% составляют углепластик, а 3% - «ламинат GLARE из волокна и металла» (слоистый гибрид композитов из алюминия и стекловолокна), последний из которых впервые используется в гражданских самолетах. Компоненты из углепластика включают в себя: скоростные тормоза, вертикальные и горизонтальные стабилизаторы (выполняющие функцию топливных баков), рули высоты, элероны, спойлеры закрылков, створки шасси, обтекатели, вертикальные хвостовые кильники, балки пола верхней кабины, задние гермошпангоуты, задние секции фюзеляжа, горизонтальные стабилизаторы и элероны.
После того, как в А-340 впервые было использовано углеродное волокно для килевой балки и композитных задних гермошпангоутов,-преодолев традиционные конструктивные барьеры-, А-380 еще больше бросил вызов инженерным нормам, приняв углепластик для своей «центральной коробки крыла» (соединяющей крылья с фюзеляжем). Одно только это нововведение снизило вес на 1,5 метрических тонны по сравнению с современными алюминиевыми сплавами. Снижение веса углепластика в сочетании с усталостной и коррозионной стойкостью позволило повысить топливную экономичность на 13% по сравнению с конкурирующими моделями и снизить выбросы. А-380 стал первым дальнемагистральным самолетом, расход которого составил «менее 3 литров топлива на пассажира на 100 км», при этом эксплуатационные расходы были на 15–20% ниже, чем у самых эффективных самолетов своего времени.
Бизнес-джет Falcon 7X компании Dassault Aviation способен летать на высоте 12 000 метров с максимальной скоростью 0,8 Маха, вмещает 8 пассажиров и имеет дальность полета 10 560 км (5 700 морских миль). Легкий реактивный самолет Beechcraft Premier 1 компании Raytheon развивает крейсерскую скорость 835 км/ч и имеет дальность полета 2759 км.-Оба самолета оснащены усовершенствованными полностью-композитными фюзеляжами.
Новый японский транспортный самолет «ALELEX» также включает в себя большое количество композитов из углеродного волокна.
Китай также широко использует композитные материалы в проектировании и производстве самолетов. Например, препрег из однонаправленного углеродного волокна на основе бисмалеимида QY8911/HT3 и композитный материал, разработанные и изготовленные Пекинским научно-исследовательским институтом технологий авиационного производства, были применены к таким компонентам, как передняя часть фюзеляжа, вертикальный стабилизатор хвостового оперения, внешние панели крыла, спойлеры и обтекатели самолетов обтекаемой формы. Препрег и композитный материал из термопластической смолы PEEK/AS4C с однонаправленным углеродным волокном, разработанные Пекинским институтом авиационных материалов, обладают исключительной вязкостью разрушения, водостойкостью, устойчивостью к старению, огнестойкостью и усталостной прочностью. Эти материалы подходят для изготовления основных-несущих конструкций самолетов, могут работать длительное время-при температуре 120 градусов и используются в передних обшивках панелей отсеков шасси самолетов.
Китайский военный самолет «Летающий леопард», в состав которого входят важные компоненты из углеродного волокна, имеет общую длину около 22,3 метра, размах крыла 12,7 метра, максимальную взлетную массу 28,4 тонны, максимальную внешнюю полезную нагрузку 6,5 тонны, максимальную скорость 1,70 Маха и перегоночную дальность около 3600 километров. Обладая боевыми возможностями, превосходящими самолеты Jaguar, Tornado и Su-24, Flying Leopard демонстрирует характеристики, соответствующие истребителям третьего поколения.
2. Применение композиционных материалов в самолетах-невидимках.
В последние десятилетия был достигнут значительный прогресс в исследованиях стелс-композитных материалов, которые развиваются в сторону характеристик «тонкости, легкости, широкополосного (спектрального) поглощения и прочности (ударопрочность, высокая -температурная стойкость).» Композиты, армированные углеродным волокном,- являются не только легкими и высоко-конструкционными материалами, но также обладают критически важными скрытыми функциональными возможностями. Например, CF/PEEK или CF/PPS демонстрируют превосходные характеристики широкополосного поглощения, эффективно поглощая радиолокационные волны. Соединенные Штаты были пионерами в использовании малозаметных материалов в самолетах, причем наиболее сильное покрытие имели F-117 и F-22. Стелс-покрытие F-117 было очень сложным и включало до «семи различных материалов».
В основной конструкции сверхзвукового истребителя США F-22 используется средний-модуль углеродного волокна-, армированный специальными конструкционными пластиками. Аналогичным образом, чехлы тормозных парашютов истребителя «Мираж III» и компоненты катапультных кресел изготовлены из таких материалов, которые успешно применяются для изготовления радиопоглощающих деталей, таких как нервюры самолета, обшивка, разъемы и крепления. В корпусе крылатой ракеты «Томагавк», подложке планера бомбардировщика-невидимки B-2 и секциях самолета-невидимки F-117A также используются полимерные радиопоглощающие материалы, модифицированные углеродным волокном.
В 2000 ВВС США модернизировали стелс-материалы F-117, заменив исходное семи-слойное покрытие одним материалом. Это изменение стандартизировало процедуры технического обслуживания и радиопоглощающие материалы для всех F-117, что снизило технические характеристики примерно на 50%. После-модернизации время обслуживания на час полета для F-117 сократилось более чем вдвое, а годовые затраты на техническое обслуживание всех 52 F-117 снизились с 14,5 миллионов 6,9 миллионов. В отличие от F-117, F-22 не имеет радиопоглощающего покрытия по всему корпусу, но наносит «ферритовое радиопоглощающее покрытие» на все внутренние и внешние металлические компоненты. Это покрытие прочное, износостойкое и более простое в нанесении по сравнению с системой F-117.
Эксперты прогнозируют, что к 2030-м годам в самолетах будут практически внедрены современные композиты, такие как «проводящие полимерные электрохромные материалы», «гибридные полупроводниковые материалы», «нанокомпозиты» и «интеллектуальные стелс-технологии». Эти инновации могут фундаментально изменить системы авионики и методологии управления самолетами.
Источник:Авиационные композиционные материалы и их механический анализХайтао Цуй и Чжиган Сунь (ред.)