Применение композиционных материалов в самолетостроении

Министерство образования и науки Российской Федерации ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Самолетостроения и эксплуатации авиационной техники»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе Применение композиционных материалов в самолётостроении Выполнил студент группы СМ-13−2 А. С Сочивка Руководитель работы О. В. Артамонов Иркутск, 2013

Содержание Введение

1. Что такое композиционный материал

2. Композиционный материал в авиационной промышленности

2.1 Начало применения

2.2 Применение композиционного материала в мировом самолётостроении

3. Недостатки композиционных материалов Заключение Список использованных источников

Введение

Волокнистые структуры широко распространены в природе, они составляют основу тканей всех живых организмов — растений и животных, в которых выполняют различные жизненно важные функции, одной из них является восприятие внешних механических воздействий и сохранение при этом целостности организмов.

Основываясь на тех же принципах и отвечая на требования развивающейся техники, человеком стали создаваться аналогичные материалы — волокнистые полимерные композиты. Сегодня они являются важнейшими конструкционными материалами и останутся в многолетней перспективе «материалами будущего».

Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

1. Что такое композиционный материал Что же собой представляет композиционный материал? Итак, композиционный материал или композит, — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними (см. Рисунок. 1.1). Композиционный материал состоит из высокопрочного наполнителя, ориентированного в определенном направлении, и матрицы. Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

Рис. 1.1 Схема наложения слоев композиционного материала В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает стойкость материала к трещинам, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. В качестве армирующих наполнителей (силовая основа композиции) применяются волокна бериллия, стекла, графита, стали, карбида кремния, бора или так называемые нитевидные кристаллы окиси алюминия, карбида бора, графита, железа и т. д. Матрицы изготовляются из синтетических смол (эпоксидных, полиэфирных, кремниево-органических) или сплавов металлов (алюминия, титана и других). Соединение волокон или нитевидных кристаллов с матрицей производится горячим прессованием, литьем, плазменным напылением и некоторыми другими способами. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т. д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Примерами композитов являются такие материалы, как гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стеклои графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями). Обычная клееная фанерная доска также является примером композиционного материала. Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.

В нашей стране основы науки и развития технических решений в области волокнистых полимерных композитов были положены в лаборатории армированных пластиков Института химической физики им. академика Н. Н. Семенова РАН. Здесь был создан первый высокопрочный отечественный композит — СВАМ (стекловолокнистый армированный материал) и разработаны первые научные основы получения стеклопластиков.

2. Композиционный материал в авиационной промышленности

2.1 Начало применения Композиционные материалы привносят в авиацию много полезного — они увеличивают прочность деталей, снижают их вес и подверженность коррозии, а также позволяют сократить количество деталей. В авиационных двигателях композиты тоже снижают вес, что влечет за собой экономию топлива.

Появившиеся в тридцатых годах прошлого века стеклопластики сразу привлекли внимание самолётостроителей, причём вначале они применялись для изготовления формообразующей оснастки. Компания Douglas Aircraft первой использовала стеклопластики на фенольном связующем для производства штампов, на которых быстро и дешево получала опытные образцы металлических деталей методом гидропрессования.

Стеклопластик успешно применялся для стапелей, пространственных кондукторов и других технологических приспособлений, необходимых для точной сборки сложных крупногабаритных деталей самолётов. Вскоре начали широко внедряться ненасыщенные полиэфиры, а перед Второй мировой войной появились и первые эпоксидные смолы, проторившие композитам дорогу в облака. Начало войны подтолкнуло разработки по применению композитов в самолётостроении. Например, стеклопластиковые обтекатели позволили снизить вес лёгкого бомбардировщика Douglas А-20, а бумажно-слоистый композит значительно упростил изготовление коробчатого шпангоута крыла тренировочного моноплана PT-19. В 1942 году по решению правительства США на авиабазе Wright Patterson началось широкое изучение композиционных материалов для применения в авиации. В 1944 г. там прошел аэродинамические испытания стеклопластиковый фюзеляж, а позже были изготовлены шесть пар композитных крыльев для тренировочных самолётов AT-6 и BT-15, которые показали отличные лётные качества. Именно в годы войны были разработаны такие прогрессивные технологии формования, как намотка и напыление, появились препреги и сотовые наполнители. Спрос на эти работы формировался государственным заказом, который стимулировал частные компании к проведению инновационных разработок в области новейших технологий и материалов, что оказалось весьма эффективным для становления отрасли композитов и самолётостроения.

С начала пятидесятых стеклопластики всё шире применяются для изготовления рулей, закрылков и различных обтекателей. Но композиты пригодились не только для деталей планера: оказалось, что из стеклопластиков получаются превосходные каналы и трубопроводы самой сложной конфигурации. После войны тысячи небольших фирм стали активно заниматься конверсией авиационных технологий в гражданском секторе: в 1947 году появился первый стеклопластиковый автомобиль, а к 1948 году количество композитных катеров и яхт исчислялось многими тысячами. Энтузиасты композитов порой создавали настоящие технические шедевры. Компания Convair Aircraft построила первый летающий автомобиль (см. рисунок 2.1.1), корпус и съёмное оперение которого были изготовлены из стеклопластика.

Рис. 2.1.1 Летающий автомобиль компании Convair Aircraft

Опытный образец поднялся в воздух 1 ноября 1947 года, но смелым планам дать тысячам отставных военных пилотов возможность летать на собственной машине не суждено оказалось сбыться.

В конце сороковых были разработаны новые технологии формования — вакуумный мешок, пултрузия, а также отлажена намотка крупногабаритных изделий, сыгравшая значительную роль в гонке ракетных вооружений. В 1961 году было получено первое углеродное волокно, и спустя десятилетие стоимость килограмма волокна снизилась в десятки раз.

В середине 50-х годов ВВС США решили применить в авиастроении новый класс материалов — армированные композиционные материалы. Предстояло изучить возможности их изготовления на основе новых видов волокон с высокими прочностными и упругими характеристиками. Практическое производство борных и углеродных волокон обусловило возможность создания композиционных материалов на их основе. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и ВВС США явились кураторами исследовательской и технологических программ. Реализация этих разработок позволила с начала 70-х годов начать широкое применение композитов для производства летательных аппаратов.

В 1967 году взлетел первый самолёт с целиком изготовленным из композитов планером — четырехместный Windecker Eagle (см. рисунок. 2.1.2), который сразу превзошёл в скорости машины своего класса — Cessna 210 и Bonanza V-35.

Рис. 2.1.2 Самолет Windecker Eagle с полностью композитным планером Через двадцать лет беспосадочный кругосветный перелёт совершил построенный энтузиастами в единственном экземпляре Voyager, углепластиковый планер которого весил всего 450 кг. В семидесятых начался промышленный выпуск кевлара и появились авиационные органопластики, а перехватчик Grumman F-14. A положил начало применению боропластиков в самолётостроении. Так и росло композитное древо — могучие корпорации выпускали новые материалы, государство поддерживало развитие инновационных технологий, а тысячи энергичных частных компаний быстро находили возможности применения и того, и другого.

Таким образом, мы видим, как мало прошло времени от лабораторного поиска до решения практических задач производства и применении композитов. Применение новых композиционных материалов в летательных аппаратах подняло на новую качественную ступень самолетостроение, способствовало созданию новой ракетной и космической техники. Есть все основания полагать, что роль композитов в создании новых летательных аппаратов будет ведущей.

2.2 Применение композиционного материала в мировом самолётостроении Появление композитных материалов на основе углеродного волокна в авиастроении совершило революцию. Еще в 60-е годы авиаконструкторы искали материалы альтернативные тяжеловесным металлам. Предпочтение было отдано легким и прочным композитам. Кроме того, вес композитных деталей составляет не больше 20% аналогичных деталей из алюминия, при превосходящей прочности, гибкости и устойчивости к давлению, не говоря уже о том, что как неметаллы, они, естественно, могут не бояться коррозии. Стоит отметить также, что, в отличие от древесных композитов, стекловолоконные, арамидные и углеволоконные — не содержат формальдегида, ядовитых газов, вроде метанола. Как следствие в готовом виде детали из композитов весьма экологичны в использовании, не требуют особенного ухода. При регулярной очистке композитные детали годами выглядят как новые.

Область применения композиционных материалов в авиастроении весьма обширна. Они применяются для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопатки вентиляторов и компрессоры.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры. Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.). Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов и другое.

Рис. 2.2.1 Содержание композиционных материалов в самолётах компаний Airbus и Boeing

Ранние модели А310 и В767 содержали всего 5−6% стекловолоконных композиционных материалов. Но уже в 1986 году конструкция А310−200 была модернизирована, что помогло повысить топливную эффективность. Среди изменений было внедрение вертикального оперения из углепластиков, также тормоза колёс стали делать из композитов на основе углеродных волокон.

В самолётах А320, А340 и В777 было использовано 10−15% композиционных материалов по весу. На этом этапе минимальное количество материала использовалось на силовых деталях, в основном КМ применялся для отделочных работ в салонах, в обтекателях, зализах и оперениях.

В современных самолётах этих двух корпораций А350 (см. Рисунок 2.2.2) и В787 Dreamliner (см. Рисунок 2.2.3) доля композиционных материалов по массе превышает 50%. В конструкции A350 52% от веса самолёты будут составлять композиционные материалы, 20% - алюминий, 14% - титан, 7% - сталь, 7% - остальные. В самолёте В787 схожее соотношение: 50% - композиционные материалы, 20% - алюминий, 15% - титан, 10% - сталь, 5% - остальные.

Рис. 2.2.2 Airbus A-350 в ливрее ETIHAD AIRWAYS

На этих рисунках наглядно виден изгиб крыла, обусловленный гибкостью деталей, произведенных из композитов. В отличие от металлического крыла, гибкое композитное обладает значительно лучшими аэродинамическими свойствами.

Для летательных аппаратов малой авиации доля композитных материалов в весе самолета достигает 65%, из металла для них производятся только стойки шасси и двигатели (самолеты Diamond, Grob (см. Рисунок 2.2.4) и т. п).

Рис. 2.2.3 Самолет Diamond DA-42MNG (Австрия)

Рис. 2.2.4 Самолет GROB 120 (Германия)

2.3 Применение композиционного материала в отечественном самолётостроении Композиты давно используются, например, Казанским авиационным производственным объединением (КАПО) им. Горбунова. В выпущенном в начале 90-х среднемагистральном Ту-204 (см. Рисунок 2.3.1) из композитных материалов сделано 25% деталей, в том числе вся механизация крыла: закрылки, элероны, интерцепторы, рули высоты и направления, а также панели люков, полов и интерьера.

Рис. 2.3.1 Самолет Ту-204

В октябре этого года впервые в воздух поднялся новый военно-транспортный самолет Ил-476 (см. Рисунок 3.3.2). Самолет на 70% состоит из новых компонентов, по сравнению с предыдущими версиями Ил-76. Помимо новой силовой установки, адаптера аналоговых и цифровых систем было сделано новое композитное крыло. Ил-476 является глубокой модернизацией транспортника Ил-76МД. Благодаря новым двигателям ПС-90А-76 и усиленным композитным крыльям максимальная взлетная масса самолета составляет 210 тонн, по сравнению с 217 тоннами у Ил-76МД. При этом грузоподъемность транспортника увеличилась с 50 до 60 тонн.

Рис. 2.3.2 Самолет Ил-476 (Ил-76МД-90А) Сейчас в России разрабатывается новый проект Иркут МС-21 (см. Рисунок 2.3.3). («Магистральный Самолёт XXI века») — проект ближне-среднемагистрального пассажирского самолёта, который в будущем должен прийти на смену Ту-154 и семейству Ту-204 на российском рынке пассажирских самолётов и выйти на «тесный» международный рынок, где доминируют гиганты Airbus и Boeing с самолётами-бестселлерами Airbus A320 и Boeing 737.

Рис. 2.3.3 Самолет Иркут МС-21

МС-21 задумывался как инновационный самолет. Главная из инноваций: впервые в России и, более того, ранее чем у многих ведущих авиационных производителей самолет будет иметь композитное крыло. Принципиально важно, что речь идет не просто о широком применении композитов, а о их использовании в высоконагруженных конструкциях. Это в свою очередь оказывает существенное влияние на аэродинамическую компоновку и на аэродинамику самолета. Традиционно аэродинамики стараются увеличить удлинение крыла (отношение размаха крыла к средней хорде крыла), поскольку это способствует уменьшению сопротивления. Однако это стремление упирается в увеличение массы конструкции, что заставляет искать оптимум, компромисс.

Рис. 2.3.4 Композиционные материалы в самолёте МС-21

До конца 2013 года ОАК откроет завод по выпуску деталей из композиционных материалов для авиастроения в Ульяновске, который станет самым крупным композиционным производством отечественного авиапрома. Завод будет выпускать основные композиционные конструкции для кессона крыла перспективного пассажирского самолёта МС-21 (интегральные панели, лонжероны, конструкции центроплана) по инфузионной технологии. Также в Ульяновске mektb осуществляться финальная сборка крыльев м центроплана для МС-21.

Ведущие авиапроизводители увеличивают долю композиционных материалов при строительстве новых самолётов. В честности, массовая доля композитов в конструкции самолётов Boeing 787 и Airbus A350 находятся на уровне около 50%. Доля композиционных материалов при строительстве самолёта SSJ-110 составляет около 12%, доля композиционных материалов в строящемся лайнере МС-21 приближается к 40%.

Исследования подтвердили, что композитная конструкция позволяет заметно увеличить удлинение крыла по сравнению с металлическими конструкциями, — что и реализуется на МС-21. Типовое удлинение крыла у самолетов прошлого поколения около 8−9, в современных самолетах — 10−10,5, а на МС-21 закладывается 11,5. В результате аэродинамическое качество — а это основной параметр, характеризующий совершенство самолета, — на больших скоростях полета у МС-21 выше, чем у лучших современных аналогов, на 5−6%. По нынешним меркам это большое преимущество. Отсюда существенная экономия топлива, увеличенная крейсерская скорость и высота полета. Таким образом, главная особенность данного самолета заключается в так называемом «черном» (композитном) крыле лайнера. Из композитов у МС-21будут сделаны также отдельные элементы фюзеляжа, центроплан и оперение (см. рис.9). По сравнению, например, с российским самолетом Ту-204, у которого доля углеродных композитов в массе планера составляет 14%, у нового лайнера это число увеличено почти до 40%.

На данный момент производство и использование «крылатых композитов» на территории России не такое обширное, как за рубежом. Однако, наша страна стремительно набирает обороты в этой отрасли самолетостроения. Совместно с компаниями «Объединенная авиастроительная корпорация» и «Авиационная холдинговая компания «Сухой» была создана компания «Аэрокомпозит», которая будет вести производство деталей на заводах Казани (совместно с КАПО им. С.П. Горбунова) и Ульяновска уже не только для российского, но для зарубежного рынка. На заводах будут выпускаться элементы кессона крыла, лонжероны, интегральные панели крыла, и элементы механизации для российских самолетов МС-21 и Superjet 100. В Казани также будет организовано производство деталей для самолетов компаний Boeing и Airbus, которые будут выпускаться под маркой партнера предприятия, австрийской компании FACC. Первое композиционное крыло для самолета МС-21 будет произведено в конце 2013 года. В производстве спортивных и военных самолетов компания «ОКБ Сухого» впервые применила композиционные материалы в самолетах третьего и начала четвертого поколения — обтекатели радаров производились из фенолформальдегидных композиционных материалов. Сейчас компания производит детали из углеволокна, а препрег (композиционный материал-полуфабрикат) изготавливается на специализированных предприятиях. Данный материал используется для производства носовых обтекателей истребителей пятого поколения и почти всего планера спортивных самолетов. Авиация предъявляет специальные требования к материалу. Он должен быть радиопрозрачным и обладать высокой стабильностью свойств. Одним из важных свойств препрега для компании является возможность его хранения длительный период без потери свойств. Показатель для нового препрега составляет 2 месяца.

3. Недостатки композиционных материалов композиционный материал самолетостроение Помимо ряда положительных свойств, указанных выше, композиционные материалы еще имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение и ограничивают применение.

Высокая стоимость — обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а, следовательно, развитого промышленного производства и научной базы страны.

Анизотропия — непостоянство свойств композитного материала от образца к образцу. Для компенсации анизотропии увеличивают коэффициент запаса прочности, что может нивелировать преимущество композитных материалов в удельной прочности. Таким примером может служить опыт применения композитных материалов при изготовлении вертикального оперения истребителя МиГ-29. Из-за анизотропии применявшегося композитного материала вертикальное оперение было спроектировано с коэффициентом запаса прочности кратно превосходящим стандартный в авиации коэффициент 1,5, что в итоге привело к тому, что композитное вертикальное оперение Миг-29 оказалось равным по весу конструкции классического вертикального оперения, сделанного из дюралюминия.

Низкая ударная вязкость также является причиной повышения коэффициента запаса прочности. Кроме этого, низкая ударная вязкость обуславливает высокую повреждаемость изделий из композитных материалов, высокую вероятность возникновения скрытых дефектов, которые могут быть выявлены только инструментальными методами контроля.

Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении композитных материалов в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объему. Это относится, например, к сверхзвуковым самолётам, у которых даже незначительное увеличение объема самолёта приводит к существенному росту волнового аэродинамического сопротивления.

Токсичность — при эксплуатации композиционные материалы могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из композитных материалов изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека (таким примером может послужить композитный фюзеляж самолета Boeing 787 Dreamliner), то для одобрения применяемых при изготовлении КМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов КМ на человека.

Низкая эксплуатационная технологичность — композиционные материалы обладают низкой эксплуатационной технологичностью, низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоемких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из композитных материалов. Часто объекты из композитных материалов вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.

Устранение или уменьшение этих свойств приведет к улучшению качества материала и откроет новые возможности его применения как в авиации, так и в других сферах промышленности.

Заключение

Несмотря на объективные трудности, имеющиеся в деле разработки и применения композиционных материалов в самолетои вертолетостроении, современная наука с уверенностью смотрит в будущее. Прилагаются все усилия для того, чтобы применение и производство композиционных материалов было качественно расширенно и улучшено. В России много делается на государственном уровне для воплощения в жизнь результатов научной деятельности.

Внедрение композиционных материалов в авиастроение позволит радикально повысить прочность, надежность, безопасность и другие эксплуатационные характеристики воздушных судов — поскольку в них будут использоваться усиливающие элементы нитей, волокон или просто вкраплений более прочного материала. Эта технология позволяет получить элементы конструкций с заданными требованиями по самым разнообразным параметрам: прочности, жароустойчивости, упругости и многим другим — вплоть до степени радиопоглощения.

Словом, будущее мирового авиастроения зависит от того, как будет проходить внедрение этих материалов и технологий в массовое производство. И не может не радовать, что научный прогресс не стоит на месте, позволяя осваивать все новые и новые горизонты, а всевозможные инновационные проекты поднимают на новый уровень отечественное самолетостроение.

Список использованных источников

1. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. — М.: Машиностроение, 1988.

2. Справочник по композиционным материалам в 2х кн. под редакцией Дж. Любина — М.: Машиностроение, 1988

3. Журнал «Зарубежное военное обозрение» 1976 № 1

4. Журнал «Авиасалоны мира» 2010 № 4

5. Журнал Compisite 21 Century / май 2011

6. Пассажирский самолёт МС-21: летно-технические характеристики. Справка. РИА новости: Наука и Технологии, 14.07.2008.

7. Газета «Иркутский авиастроитель 14 ноября 2013»

8. Статьи Wikipedia