CC BY
441
Применение перспективных композиционных материалов
в беспилотных авиационных комплексах
Производство беспилотных летательных аппаратов (БЛА) создает условия для развития самолетостроения в Беларуси, так как в стране существует база по изготовлению оптики, микроэлектроники, радиосистем, а также высокопрочных полимерных волокнистых композиционных материалов (ПВКМ). Использование стекло-и углеволокон в конструкциях беспилотни-ков позволяет значительно снизить их массу, уменьшить число необходимых деталей, повысить уровень экономической эффективности гражданской авиации и боевые характеристики военных самолетов [1].
В мировом самолетостроении почти 20% мощностей предприятий занято технологической подготовкой производства: проектированием и изготовлением оснастки. Для деталей корпусов БЛА и пресс-форм для них наиболее перспективны ПВКМ с волокнистым армирующим наполнителем на основе различных смол: полиэфирных, эпоксидных, фенольных, полиамидных, силиконовых, меламиновых. Подбор смолы и различные комбинации с основой делают возможным производство композитных материалов с различными механическими, электрическими и тепловыми свойствами [2].
На основе анализа современных тенденций развития БЛА совместными усилиями Физико-технического института НАН Беларуси (ФТИ) и НПЦ многофункциональных беспилотных комплексов разработана технология получения
пресс-форм и деталей планера из ПВКМ с учетом коэффициента термического расширения применяемых армирующих волокон, позволяющая получать изделия точных размеров и форм.
В процессе проектирования планера БЛА рассматриваются полезная нагрузка, дальность, скорость, высота, время полета, срок службы, коэффициент перегрузки. Уделяется внимание возможности уменьшения массы БЛА исходя из внешних геометрических размеров, аэродинамики, силовой установки и свойств используемых материалов (прочность, жесткость, плотность) с учетом технологии изготовления деталей из них. Максимальной экономии веса и стоимости в прогрессивных самолетных конструкциях можно добиться за счет современных композитных конструкций, а также внедрения дешевых методов изготовления деталей и оснастки, сборки, ремонта.
Для достижения технологического прорыва в этой области необходимы инновационные решения: создание их идеальной и практичной моделей. Первую пока сделать невозможно по технологическим причинам, вторая возможна, но требует большой работы.
Для изготовления беспилотных авиационных комплексов в силу предъявляемых требований (небольшие серии, низкая себестоимость) наиболее рационально применение сравнительно дешевых технологий, например систем холодного отверждения для ручного (контактного), вакуумного, компрессионного формования. Метод выбирают в зависимости
Рис. 1. Экспериментальные образцы оснастки типового ряда пресс-форм
от количества изготовляемых деталей, что в целом определяет стоимость производства и качество деталей. Выбор конкретного метода зависит от уровня капитальных вложений и влияния пути деформации на распределение волокна в окончательной детали.
Одно из эффективных решений для оптимизации соотношения «жесткость - вес» -многослойная конструкция, которая хорошо известна в авиации: ее используют в технологиях препрегов и вакуумной инфузии с применением автоматизированного оборудования раскроя тканей и автоматической проверкой конечного изделия.
Как показывает сравнительный анализ механических и физических свойств ПВКМ, необходимо обеспечить прочностные характеристики материалов пресс-форм на уровне 150-155 МПа по пределу прочности на растяжение и 200-210 МПа на изгиб, так как качество ПВКМ напрямую зависит от выбора технологических приемов изготовления композита [1].
Использование вакуума в технологии холодного отверждения эпоксидного связующего для изготовления деталей малогабаритных БЛА наиболее предпочтительно в условиях НПЦ многофункциональных беспилотных комплексов НАН Беларуси.
На рис. 1 показаны экспериментальные образцы типового ряда пресс-форм из стеклопластика для создания деталей образца планера БЛА «Бусел» (рис. 2).
ЭБ-оборудование с числовым программным управлением вертикально фрезерного обрабатывающего центра ShpinnerMVC 1600 для обработки металлов и фрезерного станка для прототипирования Flexicam Stealth 2040 позволило увеличить точность изготовления пресс-форм длиномерных изделий из древесноволокнистого материала (МДФ).
Рис. 2. Детали макетного образца планера БЛА «Бусел»
Применение алюминиевых пресс-форм для отработки холодной технологии изготовления деталей БЛА нового поколения «Бусел-М» и «Бусел-М50» подняло на новый уровень аэродинамическое качество и дальность полета БЛА до 50 км.
Размах крыла БЛА «Бусел» - 2335 мм, «Бусел-М» - 2750 мм (рис. 3), «Бусел-М50» -3470 мм (рис. 4).
Конструкция БЛА «Буревестник» взлетной массой 180-240 кг с размахом крыла до 8 м потребовала разработки ПВКМ с улучшенными прочностными характеристиками (модулем упругости и пределом прочности) для изготовления лонжеронов крыла, узла шасси, панелей. Например, применение лент из однонаправленных высокомодульных графитовых нитей марки «Кулон» в конструкции лонжерона в структуре ПВКМ взамен заготовок из углеткани повышает модуль упругости полки лонжерона более чем в 3 раза и предел прочности материала на 10-15% по сравнению
Рис. 3.
БЛА «Бусел-М»
Рис. 4.
БЛА «Бусел М50»
Рис. 5. Сборка лонжерона крыла БЛА «Буревестник» из ПВКМ
Рис. 6.
БЛА «Буревестник»
Рис. 7. Микроструктура эпоксидного связующего, модифицированного наночастицами А - углерода, Б - диоксида кремния
с прочностью при равномерном расположении разномодульных волокон. Увеличение модуля упругости ПВКМ приводит к ужесточению конструкции деталей, что позволяет уменьшить риск возникновения флаттера, дивергенции крыла и реверса элеронов [3].
На рис. 5 показана технология сборки лонжерона крыла БЛА «Буревестник» (рис. 6) длиной 2,8 м из ПВКМ.
Одно из важных направлений улучшения потребительских свойств ПВКМ холодного отверждения - модифицирование связующего путем введения с помощью ультразвука наноструктурированного углерода и аэросила. Применение углеродного наноматериала отечественного производства, представляющего собой смесь нанотрубок и нанопорошков (средний диаметр трубок и волокон 10-300 нм, средняя длина трубок и волокон 0,01-20 мкм),
в качестве модификатора смолы ЭД-20 увеличивает предел прочности углепластика на растяжение на 10-13%: с 523 до 592 МПа при росте предела прочности связующего с 55 до 71,8 МПа. Содержание наноматериала на уровне 0,1% по массе. На рис. 7А представлена микроструктура эпоксидного связующего, модифицированного наночастицами углерода.
Модифицирование радиопрозрачного стеклопластика наночастицами аэросила в количестве 0,05% увеличивает предел прочности на растяжение с 250 до 280 МПа. Данная композиция использована для создания радиопрозрачного обтекателя антенны для БЛА типа «Бусел», так как величина ослабления электромагнитного поля равна нулю на частотах 2,45 и 11,5 ГГц. На рис. 7Б показана микроструктура эпоксидного связующего, модифицированного наночастицами диоксида кремния.
В ФТИ и НПЦ многофункциональных беспилотных комплексов НАН Беларуси разработаны холодные технологии воздушных винтов. Производители двигателей для БЛА рекомендуют использовать проверенные винты из дерева, стеклопластиков, углепластиков и пластмасс, изготовленных из дешевых волокон стекла и угля с низкими значениями модуля упругости и высокими значениями предела прочности. Появление волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, обладающих более высокими значениями удельной прочности, в сочетании с высокомодульными углеродными и полыми стеклянными волокнами позволяет разработать гамму гибридных ПВКМ на основе эпоксидных смол для винтов БЛА типа «Бусел».
Применение винтов из ПВКМ в винто-вентиляторных двигателях для военно-транспортного самолета АН-70 показало, что тонкие аэроупругие саблевидные лопасти хорошо работают на дозвуковых скоростях полета, обеспечивают повышение КПД до 15% и снижение шумности. Эффективность использования ПВКМ в конструкциях лопаток газотурбинных двигателей и винтов определяется структурным составом ПВКМ. Наиболее существенное влияние на спектр собственных частот колебаний при колебании упругих характеристик ПВКМ оказывает изменение модуля упругости. Высокая степень демпфирования углеволокнитов при
Образец при 60% объемном содержании волокна Модуль упругости, ГПа
«Кулон» 250,6
Н3К СР200 ^^^^^^^^^^ 39,7
ПВКМ «Кулон» и Т15(п)-76 141,2
ЛО22к40 ^^^^^^^^^^^^ 12,7
ПВКМ на основе Н3К СР200 для профиля ВС-2 53,0
ПВКМ «Кулон» и Н3К СР200 для профиля РАФ-6 107,0
Таблица 1. Значения модуля упругости исследуемых композиционных материалов
крутильных и изгибных колебаниях обеспечивает значительное увеличение стойкости к флаттеру по сравнению с металлическими лопатками [4].
При проектировании винтов для семейства БЛА «Бусел» использовались наиболее распространенные винтовые профили поперечного сечения ВС-2 и РАФ-6 [5]. Основу композиционных материалов и поливолокнистых композиций составляют высокомодульная углеродная лента «Кулон» (Россия), среднемодульная углеродная ткань Н3КСР200 (Китай), углеродная лента Л022к40 (Беларусь), ткани из Е-стекла, в том числе из полой стеклонити Т15(п)-76 (Беларусь). В качестве связующего применялась эпоксидная смола Ь285 (Германия). В табл. 1 приведены результаты испытаний на растяжение по определению модуля упругости на машине «¡^топ БЛТЕХ 300ЬХ» композиций из вышеприведенных волокон.
Так как в литературе не описаны методики испытаний лопастей винтов на изгиб, растяжение и сжатие, в отличие от образцов материалов для их изготовления, нами предложено сравнивать результаты испытаний лопастей винтов по разрушенному сечению через расчет изгибной жесткости Б - произведение модуля упругости материала Е
на момент инерции разрушенного сечения I [6]. Изгибная жесткость винта с профилем ВС-2 составляет 4,2х106 Нхмм2, а с профилем РАФ-6 -5,4х106 Нхмм2 в сечении относительного радиуса 0,65. На рис. 8 продемонстрировано испытание на изгиб винта с профилем ВС-2.
Из полученных значений разницы жестко-стей винтов из композиционных материалов 1,2х106 Нхмм2 можно заключить, что управление их свойствами позволяет создать эффективную конструкцию лопасти винта.
Рис. 8.
Испытание винта на изгиб
Рис. 9.
Оснастка для изготовления лопасти
воздушного винта с профилем РАФ-6
Рис. 10. Образец лопасти винта ВС-2
Рис. 11. Образец лопасти винта РАФ-6
Профиль винта Газ, % Электрический ток, А Обороты винта, об/мин Тяга, кг КПД, %
РАФ-6 100 78,78 9505 4,633 48,26
ВС-2 100 85,93 8796 4,431 40,9
РАФ-6 50 39,12 7965 3,203 81,44
ВС-2 50 47,97 7692 3,312 64,14
Таблица 2. Сравнение характеристик винтов с профилями РАФ-6 и ВС-2
38
На рис. 9 показана разработанная оснастка для изготовления тонкостенной саблевидной лопасти воздушных винтов с профилем РАФ-6. Существует аналогичная для винта с утолщенным профилем ВС-2. Оснастка представляет собой сборку из двух полированных алюминиевых полуматриц, изготовленных на станке с ЧПУ.
На рис. 10 и 11 показаны образцы лопастей винтов РАФ-6 и ВС-2, изготовленные по разработанной технологии с холодным отверждением эпоксидного связующего. Тонкая саблевидная лопасть с профилем РАФ-6 отличается от традиционной утолщенной лопасти с профилем ВС-2. Минимальная масса винтов с ВС-2 составляет 16,8 г, с РАФ-6 - 14,4 г. Экспериментально установлено, что саблевидная форма лопасти более эффективна (табл. 2).
Разработанный состав композиционных материалов представляет собой поливолокнистую структуру из двух компонентов (связующее и наполнитель), изменение характеристик ориентации высокомодульных волокон позволяет управлять параметрами жесткости лопасти воздушного винта при соответствующем уменьшении толщины ее профиля и массы.
Технология изготовления воздушных винтов отличается от существующих тем, что позволяет создавать легкие, малошумные воздушные винты с увеличенным КПД на 7-17% и величиной тяги не менее чем 4,63 кГс при скорости 9505 об/мин. Грани лопасти предельно тонкие, а профиль сечения соответствует расчету. Углеволокно ориентировано относительно продольной оси лопасти винта, на переднюю кромку которого нанесено гидрофобное покрытие на основе лака КО-85 с наноструктуриро-ванным углеродом.
Осуществлен выбор материалов, разработана и изготовлена матрица из алюминия марки Д16Т для получения экспериментальных винтов, она отполирована и имеет расчетную внутреннюю поверхность. Проведение балансировки изготовленных винтов не требуется. Увеличение прочности в дальнейшем может быть осуществлено за счет применения горячей технологии полимеризации
эпоксидного связующего в препрегах, которая в отличие от холодной технологии позволяет поднять предел прочности композиции при растяжении на 35-40% [4].
При создании ритмичного крупносерийного производства БЛА различного назначения решение проблемы уменьшения массы фюзеляжа состоит в увеличении прочностных характеристик применяемых композиционных материалов. На практике снижение веса конструкций из ПВКМ достигается за счет определения оптимального количества связующего в прессуемом изделии, что в свою очередь позволяет уменьшить объем применяемого композиционного материала для планера БЛА. Одно из технологических решений - применение технологии инфузии, что позволяет получать композит с высоким содержанием армирующего материала, низкой пористостью, изготавливать большие детали целиком без разделения на составные части.
Данные факторы способствуют развитию технологии вакуумной инфузии, а также обусловливают ее широкий потенциал для дальнейшего применения [9]. СЗ
Екатерина Каханчик-Пилинога,
младший научный сотрудник НПЦ многофункциональных беспилотных комплексов НАН Беларуси
Анастасия Свистунова,
заведующая бюро технической документации НПЦ многофункциональных беспилотных комплексов НАН Беларуси
Михаил Лузан,
главный инженер НПЦ многофункциональных беспилотных комплексов НАН Беларуси
Александр Бакаев,
главный технолог проекта лаборатории высоких давлений Физико-технического института НАН Беларуси
http://innosfera.by/2017/06/aviation
ЛИТЕРАТУРА
1. Композиционные материалы / под ред. Л. Браутмана, Р. Крока.— М., 1978. Т. 3. Применение композиционных материалов в технике / под ред. Б. Нотона, 1978.
2. Зорин В.А. Опыт применения композиционных материалов в изделиях авиационной и ракетно-космической техники // Конструкции из композиционных материалов. 2011, № 4. С. 43-57.
3. Гребеньков О.А. Конструкция самолетов. Пособие для авиационных вузов.- М., 1984.
4. Михайлин Ю.А. Волокнистые полимерные композиционные материалы в технике.- СПб., 2013.
5.
Афанасьев П.П. Беспилотные летательные аппараты. Основы устройства и функционирования.- М., 2008.
6. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформированного тела.- М., 1975.
7.
8.
Чумак П.И. Расчет, проектирование и постройка сверхлегких самолетов / П.И. Чумак, В.Ф. Кривокрысенко.- М., 1991.
Michael C.Y. Composite airframe structure practical design into amatione and data. 1992. P. 686.
9. Вакуумная инфузия // http://www.inumit.ru/rus/biblioteka/vakuumnaya-infuziya/.
