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.
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.
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.
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.
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.
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
