Версия для печати

Хорошо забытое новое

Композитные технологии сильны разнообразием
Подколзин Василий Песков Алексей
Фото: google.com

В последнее время без упоминания композитов не обходится ни одно описание авиационных новинок. Создается впечатление, что чем меньше в самолете металла, тем он совершеннее. В чем сила композитов и какие у них могут быть недостатки, «Военно-промышленному курьеру» помогал разобраться заместитель генерального директора Национального института авиационных технологий (НИАТ) и руководитель научно-методического центра «Норма», занимающегося сертификацией авиационных технологий, доктор технических наук Василий Подколзин.

– Василий Григорьевич, можно ли считать, что композиты заменят в авиационном и космическом производстве традиционные металлы, или их ниша все-таки ограниченна?

– Все материалы непрерывно совершенствуются, металлы в том числе. Композиты с ними постоянно конкурируют, притом что существует понимание, в каких случаях одно не может заменить другое. Оптимальное конструкторско-технологическое решение позволяет улучшить характеристики воздушного судна и определить, какой материал станет наиболее подходящим для того или иного элемента. Традиционно принято считать, что крыло проще и выгоднее сделать из металла. А закрылки, элероны – это уже композитные сотовые конструкции. Но когда речь зашла о крыльях с большим удлинением, а именно такое, с коэффициентом 11,5, у нового МС-21, расчеты показали: в данном случае лучше использовать композитные технологии. Необходимо обеспечить требуемую прочность при минимальном весе, надежность, долговечность, но где какой материал использовать, решает конструктор.

– Только что миру показали беспилотники, атаковавшие авиабазу «Хмеймим». Там, кроме двигателя, вроде металла вообще нет – пластик, дерево, скотч.

Эйфория не вполне оправданна. Если композиты и заменят полностью металл, то очень не скоро

– Это как раз хорошая иллюстрация: конструктор определяет, что из чего сделать, исходя из требований, предъявляемых к летательному аппарату. Для таких беспилотников, которые в боевых условиях по сути являются одноразовыми, требования к надежности весьма скромные. И что мы видим? Бензобак из пластиковой бутылки, мотор от газонокосилки, но ведь конструкция гениальна в своей простоте и полностью соответствует поставленной задаче. Я не говорю об управляющей электронике, речь, собственно, о планере. Как сделаны плоскости, как все скомпоновано… Такое способен создать только профессионал высочайшего класса. Как мы «Калибрами» всех поразили, так нас в свою очередь этими «дронами с мусорной свалки». Профессиональная работа конструктора и технолога! Терроризм становится интеллектуальным.

– В каком направлении могут развиваться композитные технологии?

– История композитов древнее человечества. Классический пример – дерево, внутри которого находится волоконная матрица, соответствующим образом связанная в единую структуру. Это типичный однонаправленный композит, обладающий рядом специфических свойств: прочность в направлении волокон, гибкость в поперечном сечении… Все элементы конструкции по заданной программе формируются в нужное время и в нужном месте, точность – до молекулы. Если брать шире, то отчасти композитной конструкцией можно считать и конструкцию крыла первых самолетов – деревянный каркас и нервюры, полотняная обшивка со специальной пропиткой. То есть создавалось некое изделие с требуемыми свойствами. Ныне в классификации композитов подобные конструкции называются гибридными. Скажем, в «Буране» они применялись достаточно широко, когда металлическая растяжка переходит в композитный узел, образуя с ним единое целое. Все вместе работает как сложнонапряженная конструкция, создавая с обшивкой каркас жесткости.

– До саморастущих композитных изделий с заложенной внутри матрицей нам далеко, видимо. Что имеем сегодня?

 

Хорошо забытое новое
Фото: Алексей Песков

– В ходу два основных способа производства композитных изделий: традиционный и инфузионный. Традиционный называется автоклавным, он используется «Боингом» и «Эрбасом», он же применяется при создании элементов крыла истребителя Су-57 и гражданского SSJ. Крыло формируется из панелей с сотовым заполнителем, покрытым обшивками из композита – уложенного под разными углами углеродного волокна, пропитанного специальными смолами. Полученный пакет выдерживается в автоклаве, где приобретает требуемую прочность.

Близок к автоклавному и способ создания цилиндрических композитных изделий методом намотки различных волокон, например углеродной нити. Метод используется для создания баллонов высокого давления и различных агрегатов самолета, применяется при изготовлении корпусов подводных лодок.

Автоклавная технология стала применяться в 80-е годы, она дает хорошее качество, но не обладает преимуществами конвейерного производства. Хотя традиционная выкладка угле- и стекловолокна – ранее работа ручная и чрезвычайно кропотливая – сегодня выполняется автоматизированными методами. Как, например, в производстве самолета МС-21.

– Какой же выход для массового производства?

– Наиболее современный метод изготовления композитных изделий – технологии, что ныне используются для создания «черного крыла», которое делается по программе МС-21. Способ называется вакуумной инфузией. Обычно считается, что в композите волокно должно быть распределено равномерно, это обеспечивает изотропность, то есть одинаковость свойств материала. Здесь же заведомо закладывается неравномерность распределения волокна между слоями. Выкладка проводится автоматически с помощью специального робота. Также возможно силовые элементы крыла, стрингера включить в единую композитную конструкцию. И получается, что классические приемы создания крыла из разных элементов и материалов мы теперь воспроизводим на совершенно ином уровне, формируя все в едином изделии. Технология западная, нам ее помогали внедрять компании, занимавшиеся созданием лопастей для ветрогенераторов, и на МС-21 проходит освоение самых передовых методик, используемых в авиастроении. Интересно, что у нас данный метод тоже существовал, но не в авиации – лет двадцать назад таким образом экспериментировали с изготовлением элементов корпусов троллейбусов. Сейчас же углеволокно и связующие для производства «черного крыла» закупаются за рубежом, но всеми правами на конкретную методику обладает наша страна, поскольку разработка велась по российскому заказу.

– То есть в авиационных композитах мы отстаем от западных конкурентов?

– Если бы я услышал этот вопрос в 80-е годы, ответом стало бы категорическое нет. Тогда развитие композитов для авиации шло очень интенсивно, во многих направлениях мы реально были даже не лидерами, а идеологами. Возьмем Ан-124 «Руслан», созданный в те годы. Он был абсолютным рекордсменом по объему композитных материалов, западные аналоги и близко не стояли. Лидерами в «композитостроении» были КБ Антонова и Сухого, они этому направлению уделяли огромное внимание. Ныне максимальный показатель – у «Боинга-787» Dreamliner. Доля композитных материалов в нем – около 50 процентов. У МС-21 – порядка 30 процентов.

– И когда возникло отставание?

– Было ощущение, что в 90-е откуда-то сверху пришла установка – свернуть направление. Никаких приказов или распоряжений, просто у разработчиков начали стремительно сокращаться заказы, а те договоры, которые удавалось заключить, волшебным образом не доживали до реализации. Было огромное количество великолепных химиков, технологов, но все развалилось. И теперь главная проблема восстановления направления заключается в отсутствии кадров.

– Но в будущем авиация наша полетит на «черном крыле» или ожидаются какие-то другие перспективные технологии?

– Нынешняя эйфория – еще чуть-чуть и композиты полностью заменят металл – не вполне оправданна. Если такое и произойдет, то очень не скоро. Все расхваливают прочность углеродного волокна: мол, паутинка куда прочнее сопоставимой по толщине нити из металла. Но она не прочнее, просто у нее меньше дефектов, а при микронных сечениях именно они главным образом влияют на прочность. А ведь есть еще и металлические композиты, это отдельная область, причем очень перспективная. Скажем, борволокном армируются алюминиевые и магниевые сплавы, которые в результате получают совершенно новые свойства. То есть металлы, как и обычные композиты, приобретают заранее заданную структуру.

– Что можно отнести к недостаткам композитов?

– Для примера давайте рассмотрим конструкцию закрылков, предкрылков – всех элементов, меняющих аэродинамику. Они, не испытывая больших нагрузок, уже традиционно изготавливаются в виде композитных сотовых конструкций. Легкие, надежные. Но взлет-посадка – это скачки давления, огромные перепады температуры. А все клеевые соединения в той или иной степени подвержены диффузии, они не могут обеспечить полную герметичность на протяжении длительного времени. В результате внутри конструкции происходит конденсация и в конце концов там образуется вода, утяжеляющая деталь и тем самым влияющая на ее характеристики.

Беседовал Алексей Песков

Опубликовано в выпуске № 4 (717) за 30 января 2018 года

Loading...
Загрузка...
Аватар пользователя Ольга
Ольга
31 января 2018
Очень хорошая статья.
Аватар пользователя Ольга
Ольга
31 января 2018
Очень хорошая статья.
Аватар пользователя Евгений Дашут
Евгений Дашут
02 февраля 2018
На мой взгляд, Василий Подколзин слишком мягко охарактеризовал наше отставание в производстве композитов... Более того, не учтен еще один метод формообразования композитного каркаса - литье. По этому методу у нас вообще тишина
Аватар пользователя Ольга
Ольга
31 января 2018
Очень хорошая статья.
Аватар пользователя Ольга
Ольга
31 января 2018
Очень хорошая статья.
Аватар пользователя Евгений Дашут
Евгений Дашут
02 февраля 2018
На мой взгляд, Василий Подколзин слишком мягко охарактеризовал наше отставание в производстве композитов... Более того, не учтен еще один метод формообразования композитного каркаса - литье. По этому методу у нас вообще тишина

 

 

  • Past:
  • 3 дня
  • Неделя
  • Месяц
Loading...