CC BY
68
УДК 678.8
Р.А. Сатдинов1, Е.А. Вешкин1, В.И. Постное1, С.В. Стрельников1
ВОЗДУХОВОДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ из пкм
В ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ
DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-8-8-8
Проведен обзор литературы в области материалов для воздуховодов низкого давления в системе кондиционирования воздуха. Проведено сравнение основных отечественных и импортных материалов для изготовления воздуховодов. Определены требования для разработки конкурентоспособного отечественного материала для изготовления элементов воздуховодов низкого давления из полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Ключевые слова: система кондиционирования воздуха (СКВ), стеклопластик, свойства, воздуховоды низкого давления, противопожарные требования, связующее, аналог, препрег, ПКМ.
A review of the literature in the field of materials for low-pressure air ducts in the air-conditioning system is presented. A comparison of the major domestic and imported materials for the manufacture of air ducts is performed. The requirements for development of a competitive domestic material for manufacture of low-pressure air duct elements of PCM are determined.
Keywords: ACS, fiberglass, properties, low-pressure air ducts, fire-prevention requirements, middleware, analog, prepreg, PCM.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation]; e-mail: [email protected]
Введение
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 17.2. «Разработка стеклопластика на основе ткани с низкой поверхностной плотностью и пожаробезопасного быстроотверждаемого связующего ВСФ-16М» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].
Снижение массы конструкции как инструмент повышения экономической эффективности летательных аппаратов является одной из приоритетных задач развития современной авиационной техники. В решении данной проблемы при создании самолетов все более широкое применение находят полимерные композиционные материалы (ПКМ). Стратегия развития до 2030 года предусматривает создание ПКМ нового поколения [2], отвечающих требованиям, предъявляемым к современной авиационной технике. В настоящее время в РФ предусмотрено создание нового семейства ближне-среднемагистральных самолетов, и одной из важнейших задач при проектировании пассажирских салонов самолетов является создание системы кондиционирования воздуха (СКВ).
Система кондиционирования воздуха - одна из главных бортовых систем жизнеобеспечения, которая предназначена для обеспечения нормальных условий жизнедеятельности пассажиров и экипажа, поддержания необходимых параметров
воздуха в кабине и салоне, охлаждения радиоэлектронного оборудования во всем диапазоне режимов полета (при полетах в различных климатических условиях) [3, 4].
Основные требования к работе СКВ и ее подсистем сводятся к следующему:
- должна обеспечивать заданные значения по давлению, влажности и газовому составу воздуха в кабине на всех режимах полета и на земле независимо от внешних климатических условий;
- температура воздуха в кабине экипажа и в пассажирских салонах самолета должна задаваться и управляться независимо;
- должна предусматриваться возможность обогрева и охлаждения кабин на земле без запуска двигателей с помощью бортовых и наземных устройств;
- на самолетах с продолжительностью полета больше 2 ч необходимо предусматривать систему увлажнения для поддержания относительной влажности в кабине не менее 25%.
В основе проектирования воздухопроводов СКВ лежат следующие положения:
- разработка материалов, отвечающих требованиям АП-25 (FAR-25) [5], - должны быть самозатухающими при испытаниях в вертикальном положении; средняя длина обугливания не должна превышать 203 мм, а средняя продолжительность горения после удаления источника воспламенения не должна превышать 15 с; отделяющиеся от испытуемого образца капли не должны гореть после падения в среднем более 5 с;
- минимальная масса и высокая надежность при эксплуатации в течение всего технического ресурса самолета;
- геометрические размеры (диаметр и конфигурация) должны обеспечивать допустимое гидравлическое сопротивление;
- применение современных технологий при изготовлении и монтаже; обеспечение компенсации температурного расширения и деформации мест крепления на летательном аппарате, герметичности воздухопровода;
- разработка технологий изготовления материала (полуфабриката) и конструкции из него, при этом технологии должны быть энергосберегающими с низкой трудоемкостью.
Совершенствование СКВ и обеспечение с их помощью комфортных условий в современных пассажирских самолетах во время полета входят в число важнейших факторов, определяющих конкурентоспособность самолета.
Материалы и методы
Современные ПКМ [6, 7], а также конструкции и изделия из них (трехслойные панели [8, 9], монолитные пластики и т. д.) находят широкое применение в авиастроительном комплексе всего мира благодаря таким качествам, как высокая прочность, коррозионная стойкость и низкая плотность. На мировом рынке композитов лидируют США, Европа, Япония и Китай. За рубежом объем использования ПКМ в конструкциях современных самолетов достигает 50% по массе, например Boeing 787 (США) - 50%, Airbus A-380 (Европа) - 30%, Airbus A-350 (Европа) - 50%.
В настоящее время при проектировании летательных аппаратов в их конструкцию закладываются сложно профилированные воздуховоды низкого давления -тройники, трубы, патрубки и т. п. (рис. 1), что обусловлено экономией места. Данные элементы в РФ изготавливают в основном из металлических материалов, однако большая трудоемкость их изготовления, энергозатратный процесс, необходимость снижения массы самолета и коррозия таких элементов в процессе эксплуатации заставляют разработчиков современной авиационной техники искать материалы с более низкой плотностью, которые обеспечивают необходимые эксплуатационные требования к конструкции СКВ. ПКМ - ввиду особенностей технологии их изготовле-
ния [10, 11] - позволят сократить трудоемкость и энергоресурсы при изготовлении изделий. Кроме того, меньшая плотность позволит увеличить весовую эффективность конструкций. У ПКМ, в отличие от металлов, отсутствует коррозия.
Рис. 1. Сложнопрофильные элементы воздуховодов
На пассажирских самолетах общая длина воздухопроводов СКВ достигает нескольких сот метров, а масса 500-600 кг, что составляет 40-50% массы всей системы. Воздуховоды СКВ располагаются в гондолах двигателей, центроплане, проходят по пассажирским салонам и кабине экипажа.
Рис. 2. Элементы воздуховода низкого давления системы кондиционирования воздуха из ПКМ
Как упоминалось ранее, в РФ до настоящего времени элементы СКВ изготавливают из металлов или импортных ПКМ. Это объясняется тем, что в нашей стране разработка ПКМ для сложнопрофилированных воздуховодов низкого давления СКВ в последние десятилетия не проводилась, а разработанные ранее полимерные материалы не отвечают постоянно ужесточающимся требованиям АП-25, а также имеют длительный цикл изготовления. Ведущие мировые производители авиационной техники (Boeing, Airbas) применяют в конструкции СКВ в основном ПКМ (рис. 2).
Результаты
Для снижения массы сложнопрофильных воздуховодов низкого давления СКВ необходимо применение материалов с низкой плотностью. Кроме того, в системе СКВ наряду с толстостенными сложнопрофильными элементами присутствуют и тонкостенные, для изготовления которых необходим армирующий наполнитель с низкой поверхностной плотностью - не более 120 г/м2, обеспечивающий нужную толщину и герметичность. В табл. 1 представлены для сравнения основные характеристики стеклотканей, применяемых в качестве наполнителей стеклопластиков, отечественных и зарубежных производителей.
Таблица 1
Основные характеристики стеклонаполнителей отечественных и зарубежных производителей_
Свойства Значения свойств стеклонаполнителей
А-1 Т-64 (ВМП) Т-15(П)-76 Т-11 РогсЬег 120 РогсЬег 7781
Толщина ткани, мм 0,1±0,01 0,09±0,01 0,19±0,03 0,3 0,11±0,01 0,2
Поверхностная плотность, г/м2 110±10 100±5 160±16 385±12 105±5 295±15
Плотность тканей, нитей/см: - по основе - по утку 20±1 20±1 25±1 24±1 24±1 18±1 22±1 13±1 24±1 23±1 23±1 21±1
Разрывная нагрузка, Н, (не менее): - по основе - по утку 589 589 900 500 785 589 2842 1666 301 245 923 856
Тип поверхностной обработки (переплетение) Полотняное Сатин четырех-ремизный Сатин 5/3 Сатин 8/3 или 5/3 4Ш 8Ш
Видно, что прочностные показатели отечественных стеклотканей не уступают свойствам зарубежных аналогов.
Главным преимуществом металлических сплавов перед ПКМ до недавнего времени были пожаробезопасные свойства, которые обеспечиваются в ПКМ полимерной матрицей (связующим). Для получения стеклопластиком свойств, отвечающим требованиям АП-25, Приложение F, Часть 1, необходимо провести выбор связующего. В настоящее время за рубежом выпускают много марок пожаробезопасных связующих, однако для импортозамещения в самолетостроении необходимы отечественные связующие. Во ФГУП «ВИАМ» создано новое поколение пожаробезопасных фенолфор-мальдегидных связующих [12, 13] марок РС-Н и ВСФ-16М, а также разработаны стеклопластики на их основе. В табл. 2 представлены сравнительные характеристики импортных и отечественных связующих.
Таблица 2
Сравнительные характеристики импортных и отечественных _связующих и стеклопластиков на их основе_
Свойства Значения свойств
ВСФ-16М РС-Н СУСОМ® 2265 РЬеиоНс Яе8т 8у81еш ОС 2550, 126-40-146
Внешний вид, цвет Однородный раствор коричневого цвета Однородный прозрачный раствор красно-коричневого цвета без механических включений Раствор черного цвета
Массовая доля нелетучих веществ, % 72-80 69-76 38-44 50
Условная вязкость при температуре 20±1°С по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 6 мм, с 20-60 10-65
Время желатинизации при температуре 130±2°С, мин 1-3 3-6 7-17 (121°С)
Сравнительный анализ показывает, что разработанные отечественные связующие по своим показателям не уступают зарубежным аналогам.
Для формирования свойств конкурентоспособного низкопористого стеклопластика [14] для изготовления воздуховодов низкого давления СКВ необходимо провести сравнение характеристик отечественных и зарубежных аналогов [15, 16]. В табл. 3 показаны сравнительные характеристики стеклопластиков отечественного и зарубежного производства.
Таблица 3
Сравнительные характеристики отечественных и зарубежных препрегов и стеклопластиков на их основе
Свойства Значения свойств
отечественного зарубежного аналога на основе препрега
аналога ма рки
марки ВПС-39П DAN 407 (PHG 831- HexPly 200, США
44-40), Германия
Тип связующего фенольное
Масса стеклонаполни- 160 105 305
теля, г/м2
Нанос связующего, % 40-45 40-45 35-40
Масса препрега, г/м2 265-295 170-190 470-490
Предел прочности, МПа:
- при растяжении 360 300 520
- при изгибе 530 500 490
- при сжатии 270 250 365
Плотность, г/см3 1,6 1,9 -
Горючесть Самозатухающий Трудносгорающий -
Режим формования:
- температура, °С 140 140 135
- время, мин 60 50 90
Видно, что основное отличие между отечественным и зарубежными аналогами -длительный режим формования стеклопластика. Анализ основных характеристик материалов создает перспективу разработки конкурентоспособной продукции для СКВ. Планируется провести работу по разработке материала на основе пожаробезопасного связующего и стеклоткани с низкой поверхностной плотностью, что отвечает предъявляемым к воздуховодам низкого давления СКВ требованиям. Основные характеристики разрабатываемого материала в сравнении с аналогами показаны в табл. 4.
Таблица 4
Основные характеристики разрабатываемого материала в сравнении с аналогами
Свойства
Значения свойств
разрабатываемого стеклотекстолита
зарубежного аналога на основе препрега марки DAN 407 (PHG831-44-40), _Германия_
отечественного
аналога по назначению -стеклотекстолита марки ВПС-19
Предел прочности при сжатии, МПа (не менее)_
250
250
184
Плотность, г/см (не более)
1,9
1,9
1,92
Горючесть
Трудносгорающий
Режим формования:
- температура, °С _- время, мин_
140 20
140 50
150 360
Предел прочности при сжатии разрабатываемого стеклотекстолита будет превосходить аналогичную характеристику российского аналога - стеклопластика марки ВПС-19 - на 25%, цикл формования разрабатываемого стеклопластика будет короче в 2-3 раза. Время отверждения у разрабатываемого стеклотекстолита будет на 25% меньше, чем у зарубежного.
Обсуждение и заключения
Анализ источников литературы отечественных и зарубежных материалов для изготовления воздуховодов низкого давления СКВ в летательных аппаратах показал, что разработка конкурентоспособного стеклопластика на основе ткани с низкой поверхностной плотностью и пожаробезопасного быстроотверждаемого связующего для изготовления элементов воздуховодов низкого давления систем кондиционирования воздуха являются крайне востребованной задачей. Для авиастроения решение данной задачи позволит обеспечить современным пассажирским самолетам конкурентоспособность в сравнении с зарубежными аналогами при высокой эксплуатационной надежности и комфорте пассажиров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/20719140-2015-0-1-3-33.
2. Каблов E.H. России нужны материалы нового поколения // Редкие земли. 2014. №3. С. 8-13.
3. Каблов E.H., Кириллов В.Н., Жирнов А.Д., Старцев О.В., Вапиров Ю.М. Центры для климатических испытаний авиационных ПКМ // Авиационная промышленность. 2009. №4. С.36-46.
4. Каблов E.H., Гращенков Д.В., Ерасов B.C., Анчевский И.Э., Ильин В.В., Вальтер P.C. Стенд для испытания на климатической станции ГЦКИ крупногабаритных конструкций из ПКМ // Сб. докл. IX Международ. науч. конф. по гидроавиации «Гидроавиасалон-2012». 2012. С.122-123.
5. Барботько С.Л., Кириллов В.Н., Шуркова E.H. Оценка пожарной безопасности полимерных композиционных материалов авиационного назначения // Авиационные материалы и технологии. 2012. №3. С. 56-63.
6. Справочник по композиционным материалам / под ред. Дж. Любина. М.: Машиностроение, 1988. 446 с.
7. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология / под ред. A.A. Берлина. СПб.: Профессия, 2009. 556 с.
8. Минаков В Т., Постнов В.И., Швец НИ., Застрогина О Б., Петухов В.И., Макрушин КВ. Особенности изготовления трехслойных сотовых панелей с полимерным заполнителем горячего отверждения // Авиационные материалы и технологии. 2009. №3. С. 6-9.
9. Кондратов Э.К, Постнов В.И., Петухов В.И., Кавун Н.С., Абрамов П.А., Юдин A.A., Барботько С.Л. Исследование свойств трехслойных панелей на модифицированном связующем ФПР-520Г // Авиационные материалы и технологии. 2009. №3. С. 19-23.
10. Постнова М.В., Постнов В.И. Опыт развития безавтоклавных методов формования ПКМ // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №4. Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 17.04.2016). DOI 10.18577/2307-6046-2014-0-4-6-6.
11. Вешкин Е.А., Постнов В.И., Стрельников C.B., Абрамов П.А., Сатдинов P.A. Опыт применения технологического контроля полуфабрикатов ПКМ // Известия Самарского научного центра РАН. 2014. Т. 16. №6 (2). С. 393-398.
12. Застрогина О.Б., Швец Н.И., Постнов В.И., Серкова Е.А. Фенолформальдегидные связующие нового поколения для материалов интерьера // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 265-272.
13. Мухаметов P.P., Ахмадиева K.P., Чурсова Л.В., Коган Д.И. Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ // Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 38-42.
14. Вешкин Е.А. Особенности безавтоклавного формования низкопористых ПКМ // Труды ВИАМ электрон. науч.-технич. журн. 2016. №2. Ст. 07. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 20.04.16). DOI 10.1857/2307-6046-2016-0-2-7-7.
15. Компания Gurit: офиц. сайт. URL: http://www.mobile.gurit.com (дата обращения: 25.05.2016).
16. Компания Hexcel: офиц. сайт. URL: http://www.hexcel.com (дата обращения: 30.05.2016).
