23 февраля 2016г.
Для обеспечения безопасности полетов конструкция ЛА должна быть достаточно прочной в эксплуатации в течение всего срока службы ЛА.
Под прочностью конструкции понимают ее способность воспринимать без разрушения нагрузки, действующие в процессе эксплуатации. Жесткость конструкции характеризуется способностью ее деформироваться под действием внешних нагрузок.
В авиационной технике из-за особенностей эксплуатации предъявляются высокие требования к материалам. Материалы, применяемые для конструирования летательных аппаратов, должны обеспечивать необходимую прочность и жѐсткость конструкции, должны обладать атмосферостойкостью. При этом материал должен предусматривать возможность изготовления изделия сложной формы и по возможности без дополнительных крепѐжных элементов, увеличивающих массу самолѐта.
Композиционные материалы, благодаря своим качествам (высокая удельная прочность, возможность управления структурой и формообразованием изделий практически любой геометрии, лѐгкость комбинирования с разными материалами), нашли широкое применение в самолѐтостроении.
Развитие самолетостроение связано с непрерывной борьбой за снижение веса конструкции. Снижение веса конструкции можно добиться рациональным выбором материалов и силовых схем, применением рациональных технологических процессов, а также за счет уточнения нагрузок, действующих на конструкцию. [2]
Выбирая материалы для силовых элементов конструкции, учитывают его механические и теплофизические характеристики, удельный вес, коррозионную стойкость, стоимость и дефицитность сырья, а также возможность обработки материала современными производственными процессами.
Выбор материала зависит также от размера и формы конструктивного элемента и условий, в которых он работает под нагрузкой. Эти условия характеризуются следующим:
- величиной, направлением и продолжительностью действия нагрузки;
- максимальной температурой;
- видом нагрузки (постоянная, плавно изменяющаяся, ударная, циклическая);
- наличием концентрации напряжения и др.
Повышенная по отношению к традиционным металлическим конструкционным материалам удельная прочность и жесткость композиционных материалов определяется свойствами упрочняющего волокна – наполнителя. Совместную работу волокон обеспечивает матрица – связующее. В названии многих композиционных материалов заложены типы наполнителей и связующих: углепластики, стеклопластики, органопластики и прочие материалы. Первое слово характеризует тип наполнителей: углеродные, стеклянные, а также другие волокна и ткани, а второе – типы связующего: пластики на основе различных смол или специальных клеев. [1]
Главной особенностью создания конструкции из композитных материалов, в отличие от традиционного использования металлов, является то, что процесс проектирования изделия начинается с создания самого материала. При этом свойства материала формируются в процессе производства конкретной конструкции.
Таким образом, конструирование материала, проектирование самой конструкции и разработка технологического процесса изготовления – это единый взаимосвязанный процесс, в котором каждая из составляющих дополняет и определяет другие.
Минимальная масса конструкции планера является одним из основных критериев, определяющих совершенство конструкции самолета.
Его реализация зависит от правильности выбора материалов, конструкции агрегатов из композиционных материалов и их параметров. При снижении массы конструкции за счет применения композиционных материалов повышается экономическая эффективность самолета.
Использование в силовой части конструкции планера пассажирского самолета полимерных композиционных материалов позволяет не только снизить массу планера, но и повысить его аэродинамическое совершенство. Рост аэродинамического качества и крейсерского числа Маха обеспечивается за счет оптимальных значений проектных параметров крыла, то есть удлинения, стреловидности и относительной толщины его профиля, что недостижимо для металлической конструкции.
Так, для крыльев с удлинением λ=9~10 (Ту-204, Boeing 737, Airbus А320...) используется алюминий с модулем упругости E=72 ГПа.
Для крыла с удлинением λ=11~12 использование алюминия ведет к дополнительному увеличению веса за счет необходимости повышать изгибную жесткость крыла. Вот почему для крыла с удлинением λ>10 следует использовать материал с большим модулем упругости. Углепластик позволяет получить необходимую жесткость крыльев за счет большего модуля упругости E>100 ГПа (для готовой конструкции). [3]
Доля использования композиционных материалов в конструкции современных магистральных самолетов достигает 50%. К примеру, на самолетах Boeing 787 Dreamliner и Airbus A350 композиционные материалы используются в конструкции крыла, центроплана, фюзеляжа и хвостового оперения.
В конструкции российских самолетов также широко используются композиционные материалы. Доля использования композитных материалов на новом российском самолете МС-21, разрабатываемом корпорацией «Иркут», будет составлять ~35–37%.
На самолете нового поколения Sukhoi Superjet 100 из композиционных материалов выполнены агрегаты механизации крыла, рулевые поверхности, створки шасси и обтекатели. Компанией ЗАО «Гражданские самолеты Сухого» ведется работа по увеличению доли использования композиционных материалов в конструкции планера самолета, в том числе в конструкции крыла и центроплана. Ожидается, что широкое применение композиционных материалов будет способствовать:
- снижению веса планера самолета до 15%;
- повышению топливной эффективности;
- повышению ресурса;
- уменьшению эксплуатационных расходов до 10% и расходов на техническое обслуживание до 30% (так как требуется меньшее число осмотров конструкции) за счет большей коррозионной стойкости и большего ресурса композиционных материалов по сравнению с металлами;
- уменьшению количества деталей в конструкции и, соответственно, снижению трудоемкости и стоимости сборки.
"КАПО-композит" будет производить для SSJ-100 агрегаты механизации крыла – закрылок, элерон, интерцепторы, воздушные тормоза, руль высоты и направления, а также элементы планера из композиционных материалов. Для МС-21 - механизацию крыла – закрылок, элерон, интерцепторы, воздушные тормоза, панели хвостовой части крыла.
Центральный институт авиационного машиностроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ) принял с 26 по 28 февраля 2013 года участие в шестой международной специализированной выставке «Композит Экспо - 2013» . В еѐ ходе состоялась конференция «Современное состояние и перспективы развития производства и использования композиционных материалов в России», где генеральный директор ВИАМ Д. Геращенков проинформировал слушателей о разработках ВИАМ в области полимерных композитных материалов нового поколения.
«Модернизация промышленности, обновление продукций предприятий невозможны без использования новых материалов, технологий их производства и применения, подготовки квалифицированных инженерных кадров. ВИАМ проводит большую работу в этом направлении». [4]
Список литературы
1. Зайцев В.Н., Рудаков В.Л. Конструкция и прочность самолетов: Учебник. Киев.: 1978г.-488с
2. Одиноков Ю.Г. Расчет самолета на прочность: Учебное пособие. М.: Машиностроение, 1973г. -392 с.
3. Солошенко В. Композиты в авиастроении. Опыт применения. Линия полета – 2013, № 82. http://www.spblp.ru/ru/magazine/82/183
4. http://vpk.name/news/85278_o_budushem_aviacionnogo_dvigatelestroeniya.html
