CC BY
276ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В АВИАСТРОЕНИИ
1 2 Макеев Д.А. , Келарев В.И.
1Макеев Дмитрий Александрович - бакалавр,
кафедра технической эксплуатации летательных аппаратов и наземного оборудования; 2Келарев Валерий Иванович - старший преподаватель, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
Аннотация: в статье рассматриваются области применения композитных материалов в авиастроении. Композитным материалом называется многокомпонентный материал, изготовленный из двух или более компонентов с существенно различными физическими свойствами, которые приводят к появлению нового материала с характеристиками, отличными от характеристик этих отдельных компонентов.
Ключевые слова: композитные материалы, авиастроение, самолет, фюзеляж, крыло.
Основной проблемой авиастроения всегда было облегчение узлов летательного аппарата с сохранением его необходимой прочности. Современные композитные материалы в большей своей части решают данную задачу. Впервые они начали широко использоваться с 1980-х годов в некоторых структурных элементах коммерческих авиалайнеров, таких как секция хвоста. Позже процент их использования возрос из-за их применения в элементах фюзеляжа и крыла. Это поспособствовало уменьшению веса данных агрегатов при сохранении заданной жесткости и прочности, а так же благоприятно повлияло на расход топлива, что в современной коммерческой авиации является одним из решающих факторов выбора авиалайнера. Примером может служить Boeing 787 Dreamliner , 50 процентов веса которого составляют различные композитные материалы. Так же важным фактором является то, данный вид материалов обладает устойчивостью к коррозии и высокие усталостные характеристики.
В авиастроении применяется практически весь спектр композиционных материалов:
1) Арамидные ткани применяются в первую очередь при производстве нижней части фюзеляжа и пилонов авиадвигателя.
2) Углеткани используют для изготовления рулевых поверхностей, дверей, капота авиадвигателя.
3) Стеклоткани используют при производстве менее нагруженых частей конструкции, таких как приемники воздушного давления, воздухозаборник ВСУ.
Одним из мест обширного применения композитных материалов является крыло самолета. Лонжероны и расположенные вдоль размаха крыла и нервюры (силовые элементы образующие профиль крыла, а так же являющиеся ребрами жесткости) изготавливаются на основе стекло-, углеткани (углеленты). Обшивка выполнена из двухслойной оболочки, состоящей из стекло-, углеткани и внутреннего пенопластового заполнителя.
Верхняя и нижняя оболочки обшивки крыла, переходящие в корневой или концевой частях в нервюры, и лонжероны изготовлены методом инфузии связующего с полимеризацией материала в соответствующих матрицах, с соединением оболочек между собой у передней и задней кромок крыла с помощью клеевой пленки, распределенной на сопряженные поверхности. Внутренние нервюры так же изготовлены методом инфузии связующего и соединяются с оболочкой и лонжероном через введенную между сопрягающимися поверхностями клеевую пленку. Данным
методом достигается повышение качества наружных поверхностей крыла и обеспечивается прочность конструкции, снижение веса.
Метод инфузии может быть заменен способом формования препрегов. Заранее пропитанная связующим материалом и выложенная слоями ткань помещается в автоклав, в котором создается высокое давление и температура. Высокое давление предотвращает образование полостей заполненных воздухом внутри полимерных связующих. Детали, имеющие осевую симметрию, получают намоткой листов волокна, предварительно пропитанного полимером. на вал, после чего их также помещают в автоклав. Использование автоклавов для формирования больших деталей достаточно затратный процесс, поэтому данный способ получил распространение только среди крупных производителей.
Так же полимерные композитные материалы применяются в изготовлении фюзеляжа летательного аппарата. Внутренний каркас, образующий форму для изготовления наружной обшивки. Он собирается из шпангоутов, лонжеронов и стрингеров. Корпусная оснастка устанавливается в пространство между двумя шпангоутами каркаса и крепится при помощи съемного крепления для получения сплошной конструкции. Далее идет нанесение слоя композитного материала обшивки в виде ленты из волокон, пропитанных смолой, ее обжиг и последующее удаление корпусной оснастки для получение внутреннего каркаса покрытого наружной обшивкой. На местах расположения дверей и иллюминаторов вырезаются проемы, а со внутренней части обшивка укрепляется в необходимых местах дополнительным стрингерным набором. Таким методом достигается упрощение сборки фюзеляжа.
А А
Рис. 1. Изготовление фюзеляжа летательного аппарата. Л - лонжероны, B - стрингеры, C - шпангоуты, D - внешняя обшивка
Несмотря на большой ряд преимуществ по сравнению с использованием металлов, композитные материал имеют значительно большую стоимость, и их использование окупается лишь при долгой эксплуатации.
Также слабым местом полимерных композитов является ударная прочность. После удара в детали образуются микротрещины, которые при циклических нагрузках приводят к расслоению материала. Для решения данной проблемы разрабатываются специальные составы связующих материалов, в которые входят термопласты или используют термопластичные матрицы. В таком случае при разрушении детали есть возможность ее ремонта, но данная технология не обладает высокой надежностью из-за чего в авиации она не получила широкого распространения: после него такая деталь редко может пройти квалификацию. Для постоянной диагностики трещин в композит встраивают оптоволоконные датчики, которые отслеживают целостность структуры и своевременно сигнализируют о проблеме.
Кроме того при горении углепластики, в отличии от металлов, горят и выделяют ядовитые вещества. Поэтому в интерьерах используют пластики с низкой горючестью, в состав которых добавлены антипирены.
Список литературы
1. Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1988. 24-28 с.
2. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.energovector.com/energozmnie-bystree-vyshe-prochnee.html/ (дата обращения: 03.12.2020).
ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ
ВИНТОВЕНТИЛЯТОРОВ
1 2 Макеев Д.А. , Келарев В.И.
1Макеев Дмитрий Александрович - бакалавр, кафедра технической эксплуатации летательных аппаратов и наземного оборудования; 2Келарев Валерий Иванович - старший преподаватель, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
Аннотация: в статье рассматриваются проблемы прочности винтовентиляторов авиационных двигателей, причины их возникновения, а также способы их устранения.
Ключевые слова: винтовентилятор, винтовентиляторный двигатель, авиастроение, самолет, композитные материалы.
Создание винтовентиляторного двигателя является наиболее перспективным направлением в современной авиационной отрасли ввиду его низкого удельного расхода топлива. Так же он будет иметь преимущество перед турбореактивными двигателями на режимах взлета и набора высоты, что позволяет сократить потребную длину ВПП и снижение шума на местности за счет крутого набора высоты. По сравнению с обычными винтами турбовинтовых двигателей, винтовентиляторны, за счет своих саблевидных лопастей, будут обладать более высоким КПД на крейсерской скорости в районе 0,75-0,85 числа Маха.
Одной из отличительных особенности винтовинтеляторного двигателя от турбовинтового является применение более тонких лобастей, имеющих в концевых сечениях относительную толщину не более 2-2,5%, что приводит к снижению жесткости на кручение. Это влечет за собой появление эффекта срывного флаттера на меньших скоростях вращения, но данный минус компенсируется большей шириной лопасти в средней ее части (примерно от 0,3 до 0,7 ее днинны). Однако с точки зрения аэродинамики на лопасть в этой зоне будут действовать большие переменные аэродинамические нагрузки из-за создания неравномерностей в потоке ометаемой плоскости, что приводит к повышению динамических напряженностей винта. Возникает потребность найти компромисс между требованиями аэродинамики и прочности. Так же повышение угла стреловидности лопасти уменьшает уровень шума, создаваемого вращением винта, но при достижении определенных углов его КПД стремительно снижается.
На режимах реверса тяги срывной флаттер винтоветилятора более интенсивен, по сравнению с обычным винтом, из-за саблевидности лопастей, а так же из-за их большей ширины.
