Создание метода оценки целесообразности применения композиционных материалов в силовой установке летательного аппарата военного назначения

Изменение геополитической обстановки на рубеже ХХЗ века существенно повысило вероятность развязывания эвентуальным противником локальных войн и вооруженных конфликтов, в том числе и на территории Российской Федерации, поэтому генеральный вектор стратегии государства в военной области должен быть ориентирован на приведение основных количесгвенно-качественных параметров оборонного строительства в соответствии с реальными задачами по парированию угроз национальной безопасности России.

При этом в системе технического обеспечения должно предусматриваться создание единой нормативной технической базы для централизованного программно-целевого планирования заказов вооружения, военной техники и других материальных средств, организации и проведения мероприятий по техническому обеспечению военной организации в мирное и военное время.

Оптимизация системы технического оснащения военной организации предполагает концентрацию сил и средств на восстановлении и поддержании в боевой готовности имеющихся систем вооружения, на их модернизации, создании научно-технического, конструкторского и технологического задела.

Несмотря на трудности конца XX века, в России на этих приоритетных направлениях достигнуты определенные результаты. В частности, Военно воздушным силам страны передан на войсковые испытания первый серийный модернизированный многоцелевой истребитель МиГ-29 СМТ. Его боевая эффективность в восемь раз выше, чем у базовой модели. Высокоэффективные и надежные корабельные истребители Су-27К поступили на вооружение Военно морского флота, А такие новые и уже поставляемые боевые комплексы как Ка-50 «Черная акула», Кя-52 «Аллигатор», Ка-60 «Касатка» наряду с испытанными и новейшими вертолетами семейства «Ми» резко усилят возможности армейской авиации /I/.

Учитывая международную обстановку и внутреннее положение в стране, необходимо поддерживать обороноспособность на требуемом уровне, но при постоянно сокращающихся расходах на оборонные нужды, этот вопрос становится проблематичным.

В настоящее время перспективы прогресса в данной области машиностроения во многом связываются с разработкой и широким применением композиционных материалов (КМ), которые обладают комплексом свойств и особенностей, отличающихся от традиционных конструкционных материалов (металлических сплавов).

Необычная ситуация возникла перед конструкторами и технологами в связи с ростом объема внедрения КМ практически во все отрасли машиностроения: при создании новых конструкций разработчик должен начинать свое творчество с проектирования композита. Это требует не только обоснованного выбора исходных материалов — армирующих волокон, связующих, наполнителей, но и оптимизированных по конечному результату структуры композита, технологии его изготовления и переработки в готовое изделие.

Возможность организации серийного выпуска изделий из КМ предопределяется самым тщательным входным и пооперационным контролем, а гарантия работоспособности изделия может быть дана лишь на основании контроля качества готовой продукции. Сравнительная дороговизна некоторых КМ, особенно на основе углеродных, борных и арамидных волокон, вызывает необходимость разработки и внедрения новых методов неразрушающего контроля всех выпускаемых изделий. В этой связи особое значение приобретает проблема стандартизации методов контроля и оценок по всем операциям технологического процесса Дня неразрушающего контроля композиционных материалов и изделий из них все шире используются методы сканирующей электронной микроскопии, «жидкокристаллического тепловидения», рентгенографии, лазерной техники и т. п.

Если в начале 70-х годов сверхпрочные, жесткие и легкие КМ называли материалами будущего, то сейчас они уже материалы сегодняшнего дня.

В авиационной промышленности из боропластиков, углепластиков и из композиционных материалов на металлической матрице изготавливают сред-ненагруженные элементы и узлы агрегатов самолета: поверхности управления, щитки, створки, обтекатели, элероны, закрылки, рули. Широко применяются композиты для изготовления лопастей вертолетных винтов. Из органоволокни-тов, обладающих хорошими диэлектрическими свойствами, успешно изготавливают «радиопрозрачные» обтекатели антенн, корпуса и детали радиоэлектронных приборов. Все чаще КМ используется в деталях и узлах газотурбинных двигателей (ГТД).

Так как условия работы этих материалов наиболее неблагоприятны, а отдача от их использования максимальная именно в военной технике, то в дальнейшем речь, в основном, будет вестись о применении КМ в элементах конструкции летательного аппарата (ЛА) военного назначения.

Оценивая возможности применения композиционных материалов в конструкциях боевых самолетов, необходимо учитывать возможные изменения эксплуатационно-боевых свойств ЛА. Среди общих требований, предъявлявмых к ЛА военного назначения, одним из основных является требование обеспечения заданного уровня боевой живучести (БЖ) их силовых установок (СУ) и БЖ самолета в целом.

Боевая живучесть, наряду с такими свойствами ЛА как скорость, дальность полета, маневренность, надежность и др., определяет успешность выполнения боевых задач, т. е. боевую эффективность самолета. Это свойство очень важно для военного ЛА, но проявляется оно только в боевых условиях при воздействии средств поражения (СП) противника. Однако заботиться об обеспечении высокой БЖ летательного аппарата необходимо в мирное время так же, как и о высокой надежности, безопасности полетов и т. п.

Решение этих сложных задач невозможно без проведения эффективных научных исследований по созданию новых, отвечающих современному уровню развития, боевых авиационных комплексов (БАК).

Повышение эффективности БАК достигается как совершенствованием его элементов, так и выбором рациональных условий и способов боевого применения. При совершенствовании боевого ЛА, как одного из составляющих комплекса, особое значение приобретают результаты научных исследований и их практическое применение в области использования новых конструкционных материалов.

До настоящего времени при исследовании БЖ элементов и систем летательного аппарата используются количественные методы, базирующиеся, как правило, на проведении экспериментальных отстрелов уже готовых образцов авиационной техники (АТ), выполненных из традиционных материалов (ТМ). Однако боевая живучесть — это свойство ЛА, которое должно закладываться и исследоваться на всех этапах создания военного самолета или другой АТ. А так как вопросы оценки остаточной прочности и устойчивости конструкций из КМ еще изучены недостаточно, то такие исследования позволят выбрать наиболее рациональные мероприятия по повышению живучести СУ с элементами конструкции из композиционных материалов и ЛА в целом, а также значительно снизить расходы по проведению экспериментальных отстрелов дорогостоящей военной техники.

Силовая установка является одним из жизненно важных элементов ЛА военного назначения, а так как КМ все чаще применяются в нагруженных деталях и узлах авиационной СУ, то любые конструктивные мероприятия, проводимые на ней, должны быть оценены с точки зрения их влияния на эффективность БАК Существующие научные методы оценки целесообразности применения КМ в конструкции силовой установки боевого ЛА уже не могут удовлетворить современным требованиям на разработку, производство и эксплуатацию перспективных образцов АТ, так как не учитывают возможное изменение работоспособности ГТД при эксплуатационно-боевых повреждениях композитных конструкций.

Существующие способы и методы повышения эффективности авиационных СУ, в том числе и использование в их конструкции композитов, не могут в полной мере отвечать требованиям на создание перспективных образцов АТ новых поколений.

Таким образом, актуальность работы обусловлена отсутствием аналитических методик оценки целесообразности применишя композитов в конструкции ЛА и его силовой установки, а также количественной оценки БЖ летательного аппарата с элементами конструкции силовой установки из КМ. Такие методики позволят выбирать наиболее эффективные конструктивные решения при минимальных затратах времени и средств, чтобы использовать их уже при разработке тактико-технических заданий на новые образцы АТ, а также на стадии проектирования летательного аппарата из композиционных и ТМ.

Кроме того, актуальность проблемы возрастает пропорционально росту стоимости ЛА военного назначения, когда даже минимальные потери самолетного парка приводят к значительным материальным затратам.

И более того, стремление уменьшить характер и размеры повреждений авиационных конструкций за счет применения новых конструкционных материалов одновременно создает благоприятные условия для восстановления поврежденного ЛА.

В соответствии с этим целью работы является решение научной проблемы повышения эффективности БАК за счет применения перспективных композиционных материалов в элементах конструкции силовой установки ЛА с учетом возможных эксплуатационно-боевых повреждений.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Информационная — создание банка исходных данных для определения эксплуатационных и тактико-технических показателей жизненного цикла ГТД, силовой установки и летательного аппарата в целом, включающего в себя блоки данных исходной информации по физико-механическим характеристикам конструкционных материалов, по характеристикам средств поражения и возможным последствиям их воздействия по авиационным конструкциям, а также расчетного банка данных параметров процесса боевого применения авиационного комплекса с разработкой соответствующих программ для ЭВМ.

2. Теоретическая — разработка теоретических основ определения целесообразности применения новых перспективных конструкционных материалов в СУ летательного аппарата через показатели эффективности авиационных комплексов, работоспособности ГТД и несущей способности авиационных конструкций.

3. Методологическая — формирование общей методологии применения КМ в элементах конструкции силовой установки ЛА как средства для нового метода получения требуемых эксплуатационно-боевых свойств авиационных комплексов, подтверждающего необходимость системного подхода для решения поставленной проблемы.

4. Математическая — разработка математического обеспечения блочного принципа оценки целесообразности применения КМ в конструкции летательного аппарата и его СУ на основе реализации многоуровневой системы критериев эффективности использования новых конструкционных материалов и функционирования авиационного комплекса.

5. Техническая — формирование набора технических средств для построения экспериментального комплекса по исследованию механических характеристик и повреждаемости элементов конструкции СУ, выполненных из различных материалов.

6. Организационно-производственная — выработка практических рекомендаций на изготовление композитных конструкций СУ, обеспечивающих требуемый уровень работоспособности газотурбинного двигателя с учетом показателей эксплуатационно-боевой живучести ЛА.

Научная новизна заключается в разработке метода определения целесообразности применения КМ в конструкции силовой установки ЛА военного назначения с целью повышения боевой эффективности авиационных комплексов, ориентированного на повышение несущей способности авиационных конструкций и работоспособности СУ с эксплуатационно-боевыми повреждениями, отличающегося от известных информационным, теоретическим, методологическим, математическим, техническим и организационно-производственным обеспечением и основанного на новейших достижениях науки и техники.

Результаты, определяющие научную новизну:

1. Создан метод оценки целесообразности применения КМ в деталях и узлах СУ военного ЛА на основе комплексного учета свойств перспективных конструкционных материалов и конструкций из них;

2. Усовершенствована многоуровневая система критериев и показателей эффективности применения КМ в конструкции силовой установки ЛА;

3. Разработана методика количественной оценки эффективности применения КМ в конструкции силовой установки ЛА, основанная на привлечении ранее не применявшегося в этой области метода определения работоспособности ГТД с повреждениями воздуховода (ВВ);

4. Обобщены результаты комплексного экспериментально-теоретического исследования повреждаемости и несущей способности композитных конструкций авиационной СУ, влияния повреждений элементов конструкции силовой установки из КМ на газодинамическую устойчивость двигателя.

Достоверность результатов исследования обеспечивается корректным использованием многократно апробированных методик расчета прочностных характеристик авиационных конструкций, современных методов статистической обработки динамических процессов и высокоточных измерительных приборов при выполнении экспериментов. Также достоверность проведенных исследований подтверждается их удовлетворительным совпадением с данными, полученными в результате обобщения опыта применения авиации в локальных военных конфликтах и при эксплуатации, а также с материалами исследований, полученными другими авторами.

Решение научно-технической проблемы основывалось на глубоком изучении фундаментальных отечественных и зарубежных исследований, литературных данных и выполнении натурных экспериментов. Методологической основой работы является системный подход к обеспечению живучести БАК, базирующийся на совместном рассмотрении вопросов повреждаемости и несущей способности элементов конструкции СУ, а также работоспособности газотурбинных двигателей с эксплуатационно-боевыми повреждениями рабочих лопаток компрессора и ВВ. В работе применяются методы системного анализа, теории вероятности и математической статистики, методы статического моделирования и метод дискретных вихрей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод оценки целесообразности применения КМ в элементах конструкции СУ боевого ЛА. Повышение эффективности СУ самолета военного назначения при использовании КМ возможно только с учетом комплекса мероприятий, направленных на локализацию последствий от эксплуатационно-боевых повреждений и повышение несущей способности композитных конструкций;

2. Комплекс методик по оценке эксплуатационных, технических и экономических характеристик силовой установки и ЛА в целом при применении КМ в элементах их конструкции. Существенного уменьшения стоимости и массы авиационной СУ и самолета можно добиться при организации серийного производства новых конструкционных материалов и конструкций из них. Замена авиационных конструкций, выполненных из традиционных материалов (ТМ), на композитные конструкции, выполненные без специальных мероприятий по повышению их несущей способности, является нецелесообразной по отношению к ударным средствам поражения (СП);

3. Комплекс экспериментальных установок и результаты экспериментально-теоретических исследований повреждаемости и несущей способности авиационных конструкций из КМ, а также влияния повреждений ВВ на работоспособность СУ. Исследования несущей способности рабочих лопаток (РЛ) со сквозным повреждением показали, что коэффициент запаса прочности у бора-люминиевых лопаток в 1,5. 3,0 раза выше, чем у РЛ из титана, и в 3. 4 раза выше, чем у алюминиевых лопаток. Кроме того, с точки зрения эксплуатационно-боевой живучести предпочтительнее боратоминиевые РЛ, выполненные без металлического лонжерона внутри пера лопатки, который при разрушении сам становится источником опасных вторичных осколков, поражающих основные несущие слои конструкционного материала РЛ и лопаток последующих ступеней компрессора.

При оценке целесообразности применения КМ в конструкции авиационной СУ необходимо учитывать наличие опасной «прикомпрессорной» зоны, разрушения в которой могут однозначно вывести двигатель из строя за счет нарушения его газодинамической устойчивости из-за большой вероятности возникновения срывного течения в осевом компрессоре. Для современных двигателей 1У-го поколения критическим может стать падение осевой составляющей скорости воздушного потока на входе в ГГД на 35. 50 м/сек. Исходя из размеров «прикомпрессорной» зоны конструкция углепластикового ВВ должна иметь подкрепляющие элементы с шагом 150. 170 мм.

Практическая ценность результатов исследования заключается в том, что новый метод позволяет: использовать методологические основы оценки целесообразности применения КМ в конструкции силовой установки ЛА военного назначения с учетом всех исследованных свойств конструкционных материалов для выработки рекомендаций по наиболее рациональным мероприятиям обеспечения эксплуатационной и боевой живучести авиационного комплексапрогнозировать характер повреждений элементов конструкции силовой установки из КМ и вероятность их возникновения в процессе эксплуатации военного ЛА при планировании и организации восстановления и ремонта боевой авиационной техникиразработать новые практические рекомендации по совершенствованию авиационных конструкций из КМ на всех этапах жизненного цикла БАК, отличающиеся от известных учетом изменения газодинамической устойчивости ГТД при возможных эксплуатационно-боевых повреждениях СУ самолета.

Личный вклад автора:

1. Разработка методологии оценки целесообразности применения КМ в конструкции силовой установки военного ЛА.

2. Усовершенствование многоуровневой системы критериев эффективности применения КМ в авиационных конструкциях.

3. Проведение расчетных исследований по определению характеристик КМ и несущей способности композитных элементов конструкции, эффективности и целесообразности применения КМ в конструкции СУ военного летательного аппарата.

4. Руководство и непосредственное участие в проведении экспериментальных исследований.

5. Научное и методическое руководство разработкой частных методик оценки работоспособности СУ с повреждениями сверхзвукового входного устройства и осевого компрессора, а также живучести ЛА с элементами конструкции силовой установки из КМ.

Диссертация состоит из введения, шести разделов и заключения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Конструкция и технология получения материалов были и остаются областью наибольшего интереса, направленного на совершенствование техники. В настоящее время достигнут существенный прогресс в использовании композиционных материалов. И есть все основания, что этот прогресс будет продолжаться .

Первоначальной отдачи от практического применения КМ следует ожидать в авиации, а затем в области аэрокосмической техники. Композиты совершат, по-видимому, значительное вторжение в область создания будущих источников энергии (энергия ядерного синтеза), подобно тому как они обеспечивают сейчас рост выпуска новых видов ЛА.

Современная промышленность, выпускающая композиты с большими затратами ручного труда, имеет тенденцию к автоматизации при крупносерийном и массовом производстве деталей. Однако при разработке новых изделий, опытных образцов, а также в мелкосерийном производстве все еще будут применяться ручные и полуавтоматические методы изготовления композитных конструкций.

Композиты на основе органических матриц по-прежнему остаются основными материалами, а композиционные материалы на основе металлических матриц обнаруживают признаки роста производства на ближайшее время. Основными высокомодульными волокнами одновременно с борными волокнами и волокнами карбида кремния останутся углеродные и арамидные волокна, имеющие специальное применение. Перспективы для расширения промышленного производства композитов благоприятные, так как конструктивная эффективность снижения массы становится определяющей в экономии энергии.

Одним из путей совершенствования конструкций из КМ с точки зрения снижения массы является рациональное проектирование. Поскольку анизотропия бывает технологической и конструктивной, то задача рационального проектирования связана в общем случае с варьированием геометрических и прочностных (упругих) свойств (перераспределением волокон в плоскости армирования слоистых конструкций). Цель такого варьирования заключается в создании конструкции, отвечающей некоторому критерию оптимальности. Если в целом проблему конструирования рассматривать в рамках метода расчета по предельному состоянию, то в качестве критерия оптимальности удобно принять условие максимума предельной нагрузки конструкции при ее постоянной массе.

Однако в настоящее время еще не исследованы полностью все свойства композиционных материалов и конструкций из них. В то же время у КМ еще сравнительно высокая стоимость, поэтому на современном уровне развития авиастроения целесообразным является частичное применение композитов в конструкции самолета и его силовой установки.

Стоимость, как параметр проектирования, должна являться объектом отдельного тщательного изучения. Ее определение весьма непросто, так как она находится в зависимости от стоимости материалов, от числа деталей и, наконец, от объема и стоимости производства.

Оценки, сделанные на основании цен середины 80-х годов, показывают, что снижение стоимости изделий из КМ для самолетостроения составляет, по крайней мере, 0,5% на каждый процент снижения массы JIA Стоимость будет тем ниже, чем большее количество деталей будет сделано из композитов.

Качество выполняемых конструкторских разработок находит свое отражение в результатах испытаний в условиях статического и усталостного нагру-жения. Большинство разработок деталей и узлов JIA характеризуется высокими эксплуатационными свойствами. Однако на сегодня отсутствует достаточно большой опыт применения композитов в авиадвигателестроении, где действуют температурные и другие ограничения.

По оценкам отечественных специалистов из ЦИАМ имени П. И. Баранова создание силовых установок для военных самолетов со специально разработанными элементами конструкции ГТД из композиционных материалов позволит увеличить их тягу почти в 2 раза и значительно уменьшить их габариты, то есть в итоге повысить боевую живучесть ЛА за счет уменьшения его уязвимой площади /57/.

В настоящее время имеются наибольшие достижения в области армирования волокнами, в то время как регулирование свойств матрицы все еще не дошло до стадии, при которой могли бы быть использованы все потенциальные возможности композиционного материала.

Таким образом, задача оценки целесообразности применения новых конструкционных материалов в деталях и узлах силовой установки летательного аппарата военного назначения с точки зрения повышения его эксплуатационно-боевой живучести сводится к определению уязвимой площади СУ с элементами конструкции из композиционных материалов по отношению к конкретному типу средств поражения (случаю нагружения), то есть к определению характера и размеров повреждения элементов конструкции силовой установки и оценки их влияния на работоспособность газотурбинного двигателя.

Замена традиционных материалов на композиционные в конструкции силовой установки и ЛА производится после всестороннего предварительного анализа всех возможных последствий такой замены. При этом величины кэф,.

КГЛА являются исходными данными для принятия решения по данному вопросу.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что системный подход к решению научно-технической проблемы позволил с разной степенью глубины решить информационную, теоретическую, методологическую, математическую, техническую и организационно-производственную задачи:

1. Разработан метод оценки целесообразности применения КМ в конструкции силовой установки ЛА военного назначения, представляющий собой совокупность расчетно-экспериментальных методик Метод позволяет исследовать эффективность использования композитов в элементах конструкции СУ на всех этапах жизненного цикла БАК;

2. Обобщены сведения о КМ и их компонентах. Рассмотрены вопросы технологии, ремонта и контроля качества композитных изделии. Приведены основные характеристики перспективных конструкционных материалов для использования в авиастроении. Их анализ показал превосходство КМ по удельным параметрам, что позволяет прогнозировать снижение массы авиационных конструкций.

3. Усовершенствована многоуровневая система критериев оценки эффективности применения КМ в конструкции силовой установки боевого ЛА с учетом всех исследованных свойств материала, конструкции, а также летно-технических характеристик самолета.

4. Проведено экспериментально-теоретическое исследование упругих и прочностных характеристик КМ. Определен коэффициент вариации механических свойств КМ, который составил 16.20%, что является приемлемым к данному классу конструкционного материала Предложен набор критериев прочности для оценки работоспособности многослойного КМ. Результаты расчета и эксперимента показали их удовлетворительное совпадение.

5. Создан комплекс экспериментальных установок для исследования повреждаемости деталей СУ, позволяющий имитировать реальные условия воздействия СП по объекту исследования и уточнять коэффициенты, необходимые для расчета работоспособности деталей из КМ. Изучен характер повреждений РЛ компрессора и ВПК в зависимости от их материала, конструкции и условий ударного нагружения. По результатам эксперимента установлено, что для повышения несущей способности композитные РЛ должны быть выполнены без металлического лонжерона внутри пера лопатки, а воздуховод из КМ должен иметь в конструкции стопперы трещин с шагом не менее 150. 170 мм.

6. На базе построенной модели течения воздушного потока в канале перед компрессором исследовано влияние сквозных повреждений ВПК на работоспособность двигателя. Выявлено, что существует «прикомпрессорная» зона, разрушения в которой могут однозначно вывести двигатель из строя за счет нарушения газодинамических процессов в нем. Экспериментально-теоретическим путем определена зависимость протяженности «прикомпрес-сорной» зоны от размеров повреждения и их удаленности от входа в ГТД. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами других авторов, полученными на базе других моделей.

7. Разработана методика оценки боевой живучести ЛА с элементами конструкции силовой установки из КМ. Проведен анализ средств поражения эвентуального противника Уточнены размеры уязвимой площади СУ в задаче исследования БЖ самолета Установлено, что применение КМ является нецелесообразным по отношению к ударным средствам поражения.

8. По разработанному методу проведено теоретическое исследование целесообразности применения КМ в конструкции силовой установки ЛА военного назначения. Численно получены основные характеристики эффективности использования композитов в виде графиков и таблиц. Определена область целесообразного применения КМ в силовой установке модифицированного и проектируемого ЛА. Полученные результаты позволяют дать рекомендации по рациональному использованию КМ в конструкции самолета и его СУ на современном уровне развития авиастроения с учетом различных свойств как конструкционных материалов, так и авиационных конструкций из них.