CC BY
638
УДК 620.22-419.8
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В СОВРЕМЕННОМ АВИАСТРОЕНИИ
И. Ф. Сагитов Научный руководитель - В. В. Лукасов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: kraslook@gmail.com
В работе приведен общий обзор композиционных материалов и их разновидностей, проанализированы преимущества и недостатки композиционных материалов перед традиционными, используемыми в авиастроении, с учетом имеющегося мирового опыта, рассмотрены перспективы их дальнейшего внедрения.
Ключевые слова: композиционные материалы, перспективы, современная авиация COMPOSITE MATERIALS IN MODERN AIRCRAFT BUILDING
I. F. Sagitov Scientific Supervisor - V. V. Lukasov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: kraslook@gmail.com
The work gives an overview of composite materials and their varieties, analyzes the advantages and disadvantages of composite materials over traditional ones used in aircraft construction, taking into account existing world experience, prospects for their further implementation are considered.
Keywords: composite materials, perspectives, modern aviation
Авиация, постоянно развиваясь, требует все новых технических решений. Снижение массы конструкции как инструмент повышения экономической эффективности летательных аппаратов является одной из приоритетных задач развития современной авиационной техники. Наиболее широко этому требованию отвечают новые, так называемые композиционные материалы (КМ), превосходящие по многим параметрам традиционные металлические.
Традиционным однородным материалам присуще наличие микроповреждений (Рис. 1). Для того, чтобы максимально избавиться от них, такие материалы используют в виде тонкого волокна. Чем тоньше волокно, тем меньше дефектов остается в его сечении. Волокна заключают в матрицу (основу), обеспечивающую совместную работу волокон (упрочнителей) на сжатие, растяжение, изгиб. Свойства волокна позволяют достичь высоких показателей прочности и жесткости. В названии многих КМ заложены типы волокон и матриц: углепластики, стеклопластики и прочие материалы. Первое слово характеризует тип упрочнителей углеродные, стеклянные, а также другие волокна и ткани, а второе - типы связующего: пластики на основе различных смол или специальных клеев [1].
Решающее влияние на механические свойства композиции оказывает объемное соотношение упрочнителя и матрицы, а также внешний вид и ориентация волокон. Так, при использовании упрочнителя в виде частиц передача нагрузки между ними ложится на матрицу. Достоинство такого варианта - простота изготовления. При использовании упрочнителя в виде непрерывного волокна значительно увеличивается способность композиции воспринимать нагрузки на растяжение посредством снятия части нагрузки с матрицы. Используя несколько слоев волокон, рас-
Секция «Эксплуатацияи надежность авиационной техники»
положенных под углом 45°, или ткань из волокон, мы получаем свойство изотропности, позволяющее материалу одинаково воспринимать нагрузки в различных направлениях. КМ сотовой конструкции, так называемые сэндвич-панели, характеризуются как высокопрочные материалы с малым весом, выдерживающие большие нагрузки на сжатие.
Рис. 1. К понятию композиции
Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60...80 % от всего объема, в неориентированных - 20...30 %. Чем выше прочность и жесткость волокон, тем выше прочность композиции на растяжение. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.
Значительно меньшая, чем у металлов, чувствительность композиционных материалов к концентрации напряжений и низкая скорость распространения в них усталостных трещин обеспечивают повышенную долговечность конструкций из этих материалов. Отказ от использования металлов дает высокие показатели радиопрозрачности и коррозионной стойкости. Главное достоинство КМ - возможность при проектировании самостоятельно выбрать тип материала, ориентацию и объемное содержание волокон. Это позволяет получать конструкционные материалы с желаемыми для нас функциональными свойствами и делает использование композиционных материалов очень ценным и перспективным направлением в авиастроении. Немалую роль играет сравнительно малый вес КМ, а также возможность создавать из них сложные аэродинамические поверхности с высочайшим качеством. Использование композиционных материалов при создании силовой части конструкции планера пассажирского самолета позволяет не только снизить
массу планера, но и повысить его аэродинамическое совершенство, что позволяет по сравнению с традиционными материалами увеличить аэродинамическое качество на 10-20%.
В настоящее время доля использования композиционных материалов в конструкции магистральных самолетов неуклонно растет. К примеру, в самолётах А320, А340 (Airbus S.A.S., Европа) и В777 (The Boeing Company, США) было использовано 10-15% композиционных материалов по весу. В этих самолетах композиционные материалы применялись в основном для отделочных работ в салонах, в обтекателях, зализах и оперениях. В современных самолётах этих двух корпораций А350 и В787 Dreamliner доля композиционных материалов по массе значительно выросла. В конструкции A350 КМ составляют 52 % от веса самолёта, в самолёте В787 схожее соотношение - 50%. В конструкции российских самолетов также широко используются композиционные материалы. Доля использования КМ на новом российском самолете МС-21, разрабатываемом корпорацией «Иркут», будет составлять 35-37%. Кроме того, это будет первый российский самолет с крылом, полностью состоящим из композиционных материалов [3].
Помимо ряда положительных свойств, указанных выше, композиционные материалы пока имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение и ограничивают применение. В частности, к ним относятся: высокая стоимость; анизотропия; низкая ударная вязкость; высокий удельный объем; токсичность; низкая эксплуатационная технологичность.
К сожалению, из-за низкой ударной вязкости применение композиционных материалов в настоящий момент ограничено изготовлением элементов, воспринимающих статические нагрузки. В основном это элементы планера и механизации самолетов, несущие винты вертолетов. На данный момент нет возможности изготавливать из композитов элементы стоек шасси, воспринимающих большие мгновенные нагрузки, а также узлы авиационных двигателей, работающие в условиях высоких температур. Для таких элементов используются традиционные металлические сплавы. Но, несмотря на перечисленные недостатки, композиционные материалы уже достаточно широко применяются в современном авиастроении, и дальнейшее развитие в этом направлении имеет большие перспективы.
Библиографические ссылки
1. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. М: Машиностроение, 1988.
2. Макин Ю. Н. Основы производства ЛА и АД. Конструкции из композитных материалов. Электронное хранилище МГТУ ГА. URL: http://storage.mstuca.ru/handle/123456789/4436
3. Линия полета. Композиты в авиастроении. Опыт применения. URL: http://spblp.ru/ru/magazine/82/183
© Сагитов И. Ф., 2017
