![](/users/avatars/5ee9eb8af3eb1b17b816b0ca.jpg)
Перспективы применения композитов в авиационных конструкциях
рубрика: применение
Несмотря на проблемы, вызванные в настоящее время пандемией, авариями и введенными санкциями, планируется повышение объема производства конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) в авиастроении. Широкое применение ПКМ в конструкциях летательных аппаратов в 2025–2035 гг. будет сопровождаться внедрением автоматизированных процессов, математического моделирования на этапах проектирования, изготовления и жизненного цикла таких конструкций, использованием при их производстве комбинаций термопластичных и термореактивных матриц и металлических элементов, а также переходом на безавтоклавные технологии.
Тенденции применения полимерных композиционных материалов в 2025–2035 гг.
Планируемое количество авиалайнеров, необходимых для перевозки пассажиров, к 2034 г. составляет более 30 тыс.
![Рис. 1. Планируемая потребность в пассажирских самолетах до 2034 г.](/articles/63bfb422fb445b0019831c33/source/rg6mu1kppnpgtl8nq8y33g.jpeg)
Рис. 1. Планируемая потребность в пассажирских самолетах до 2034 г.
Основной вопрос заключается в том, какие ПКМ будут использовать в этих проектах и с помощью каких технологий. Для самолетов с двумя проходами (Boeing 787, 777X и Airbus A350) композиционные материалы уже применяют. Важен также тот факт, что сами авиаперевозчики предпочитают конструкции из композитов, по сравнению с традиционными алюминиевыми конструкциями, в связи с их долговечностью и простотой обслуживания. Данные преимущества позволяют широко использовать ПКМ в больших авиаконструкциях независимо от их размера или конфигурации. Таким образом, основной тенденцией применения ПКМ в самолетостроении является увеличение объемов производства лайнеров с агрегатами из композиционных материалов.
![На рис. 2 представлены основные тенденции использования ПКМ.](/articles/63bfb422fb445b0019831c33/source/tkodefbh70geznm9wyk7h.jpeg)
На рис. 2 представлены основные тенденции использования ПКМ.
Разработка и внедрение перспективных автоматизированных технологий
С учетом того, что ПКМ на основе углеродного волокна будут использоваться в перспективных аэроструктурах, важной проблемой является возможность дальнейшей автоматизации технологических процессов. Комбинация применяемого материала и процесса (Materials and Processes – M&P) в настоящее время представляет собой отверждаемый в автоклаве препрег из углеродного волокна и эпоксидной смолы, укладываемый с помощью автоматической укладки ленты (Automated tape laying – ATL), автоматического размещения волокна (Automated fiber placement – AFP) или вручную. Таким образом, одной из важных тенденций является возможность исключить ручной труд благодаря более широкому использованию робототехники и применению автоматизированных линий. На рис. 3 представлена выкладка обшивки крыла самолета Airbus А350 .
![Рис. 3. Выкладка обшивки крыла самолета Airbus А350.](/articles/63bfb422fb445b0019831c33/source/y3jn3qnu4x9c93acfze9gv.jpeg)
Рис. 3. Выкладка обшивки крыла самолета Airbus А350.
Однако комбинации M&P, используемые для самолетов Boeing 787 и Airbus A350, были разработаны еще в начале 2000-х гг. Тем не менее тот факт, что данные комбинации являются квалифицированными, дает им преимущество перед новыми M&P, которые до сих пор разрабатываются и квалифицируются. Для самолета NMA в компании Boeing пока не планируется разрабатывать новые M&P, поэтому существующие технологии скорее всего будут превалировать. Кроме того, скорость создания самолета NMA, по-видимому, будет аналогична скорости сборки самолетов Boeing 787 (14 планеров в месяц) и Airbus A350 (10 планеров в месяц).
Фирма GKN Aerospace – считает, что ее технология изготовления крыла значительно повысит производительность процесса производства и что использование ПКМ может привести к экономии массы больших коммерческих самолетов до 20 %.
Фирма GKN Aerospace уже использовала свой опыт применения передовых композитных технологий не только в производстве задних кромок крыла, но и для ускорения разработки новых технологий автоматизации процессов изготовления его основных конструкций.
Компания также производит компоненты крыла из ПКМ для самолетов Airbus, включая фиксированную заднюю кромку для лайнера A380 и передние кромки крыла для лайнеров A380, A330 и A400M. Для самолета A350 XWB компания GKN Aerospace разработала и поставляет 27-метровый задний лонжерон крыла, а также внутренние и внешние закрылки (включая обшивку, лонжероны, нервюры и передние кромки).
Цель программы Wing of Tomorrow – разработать высокопроизводительный процесс производства конструкции крыла для коммерческого самолета, включающий усовершенствованную автоматизацию, использование меньшего количества деталей, лучшую их интеграцию, меньшую продолжительность цикла производства и более быстрое проведение неразрушающего контроля (Nondestructive Testing Inspection – NDI) и сборки деталей.
На рис. 4 представлена оснастка из углепластика для изготовления обшивки крыла. Благодаря интеллектуальной системе управления она осуществляет нагрев заготовок деталей требуемой мощности по зонам, что обеспечивает их качественное отверждение, несмотря на разнотолщинность обшивки.
![Рис. 4. Оснастка из углепластика для изготовления обшивки крыла с индивидуальной системой нагрева заготовок деталей по зонам.](/articles/63bfb422fb445b0019831c33/source/ywkicvv87tgrrvoyjkb9r.jpeg)
Рис. 4. Оснастка из углепластика для изготовления обшивки крыла с индивидуальной системой нагрева заготовок деталей по зонам.
Следует отметить, что в ВИАМ разработана серия материалов для автоматизированных процессов выкладки и намотки, которые успешно опробованы и используются в серийных производствах отрасли.
Разработка материалов и безавтоклавных технологий изготовления
Производство узкофюзеляжных самолетов компаниями Boeing и Airbus (737 и A320) в перспективе будет наиболее прибыльным в аэрокосмической отрасли. Изготовление деталей и конструкций из ПКМ для нового поколения этих самолетов (с ожидаемой скоростью производства лайнеров в количестве 100 шт. в месяц) невозможно при использовании существующей технологии автоклавного отверждения. Поэтому при разработке новых узкопроходных самолетов однозначно необходимо применять новые материалы и безавтоклавную технологию (out-of-autoclave – OOA), которые значительно сократят продолжительность цикла изготовления деталей.
Несколько разновидностей технологии OOA в ближайшее время будут широко использовать при разработке самолетов следующего поколения. Они включают применение методов инфузии и пропитки под давлением (Resin Transfer Moulding ‒ RTM). Компании Boeing и Airbus разрабатывают эту технологию в рамках различных программ исследований, призванных довести их до уровня технологической готовности (Technology Readiness Level – TRL), который позволит обеспечить серийное производство не позднее 2025 г.
Компания Airbus со своей стороны реализует множество решений в рамках масштабных программ с участием нескольких организаций. Наиболее примечательной является программа Wing of Tomorrow, которую возглавляют следующие компании: GKN Aerospace (Ширли, Солихалл, Великобритания), Национальный центр композитов (NCC, Бристоль, Великобритания), Northrop Grumman (Клирфилд, Юта, Великобритания), Spirit AeroSystems (Уичито, Великобритания), Spirit AeroSystems (Уичито, Великобритания и Канзас, США), Solvay Composite Materials (Джоржия, США). Данная программа предполагает использование RTM для изготовления обшивки крыла, лонжеронов, нервюр и кессона крыла.
Процесс изготовления крыльев методом инфузии не нов. Его уже используют для двух коммерческих узкофюзеляжных самолетов – это Airbus A220 и MC-21. Самолет A220 разработан фирмой Bombardier как CSeries, а затем продан компании Airbus в 2018 г. Его крылья все еще производит фирма Bombardier на своем заводе в Белфасте (Северная Ирландия). Самолет МС-21 производится Объединенной авиастроительной корпорацией (Россия). Первые крылья были изготовлены компанией «АэроКомпозит» с применением импортных компонентов. Однако в настоящее время из-за санкций, которые наложены на Российскую Федерацию, используемое связующее больше не поставляется. В связи с этим российские ученые разработали отечественные аналоги материалов для производства крыльев методом инфузии и успешно изготовили их с использованием безавтоклавной технологии.
Изготовление для самолета MC-21 крыльев из углепластика безавтоклавным способом доказывает, что инфузия возможна для коммерческих самолетов, однако скорость производства деталей для таких лайнеров остается пока относительно низкой, поэтому необходима разработка новой технологии с высокопроизводительным уровнем изготовления. На рис. 5 представлено фото оснастки с обшивкой крыла для отверждения в термопечи.
![Рис. 5. Формование в термопечи обшивки крыла самолета МС-21.](/articles/63bfb422fb445b0019831c33/source/zb8k4se15iplo1rtys6a9.jpeg)
Рис. 5. Формование в термопечи обшивки крыла самолета МС-21.
Для реализации процессов инфузии в ВИАМ разработана серия связующих, позволяющих применять безавтоклавные технологии, которые успешно опробованы и продолжают совершенствоваться с целью удовлетворения потребностей заказчиков.
Тенденции применения полимерных композиционных материалов в 2025–2035 гг.
При изготовлении композитных конструкций современных самолетов применяются такие автоматизированные технологии, как выкладка препрега, намотка, инфузия и пропитка под давлением. В перспективе намечается расширение объема использования аддитивных технологий, что позволит получать детали сложной формы, в том числе с внутренними каналами или пустотами. С помощью традиционных технологий изготовление таких деталей было невозможно. В настоящее время по аддитивным технологиям производят в основном конструкции из термопластичных материалов небольших габаритов. В перспективе – изготовление крупногабаритных деталей на основе различных связующих.
Другим очень важным вопросом является снижение стоимости конструкций и разработка технологий вторичного использования отслуживших свой срок деталей. Как показывает практика, снижение стоимости возможно при увеличении объемов и разработке новых, более экономичных способов производства. Несмотря на то что срок эксплуатации конструкций из ПКМ превышает 50 лет и требует, как правило, меньших эксплуатационных затрат, все же полимерные композиционные материалы применяются там, где снижение массы изделий позволяет перекрыть затраты на дорогостоящие компоненты и трудоемкость изготовления. Однако в настоящее время стоимость изделий из ПКМ остается высокой и превышает стоимость изделий, выполненных из таких традиционных материалов, как металлы. В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разрабатываются перспективные материалы, в том числе используемые при температурах до 400 °С, и новые технологии с применением безавтоклавных процессов и трехмерноармирующих преформ, что позволяет расширить области использования и в перспективе снизить затраты при изготовлении.
А. В. Славин, К. И. Донецкий, А. В. Хрульков
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ В 2025–2035 гг. (обзор), Научно-технический журнал "ТРУДЫ ВИАМ" №11 (117) 2022
![Композитное крыло МС-21](/articles/63bfb422fb445b0019831c33/source/752m61883yyckb519xhfv.jpeg)
Композитное крыло МС-21