Применение композитных материалов нового поколения в гражданской авиации

"Научный аспект №6-2024" - Авиация и космонавтика

УДК 62-1/-9

Костенков Владимир Александрович – кандидат технических наук, доцент Московского государственного технического университета гражданской авиации.

Глазунова Анастасия Андреевна – студент Московского государственного технического университета гражданской авиации.

Солонский Никита Станиславович – студент Московского государственного технического университета гражданской авиации.

Аннотация: В статье рассматриваются актуальные направления развития гражданской авиации (ГА) с фокусировкой внимания авторов на применении инновационных материалов и технологий. В частности, подробно анализируются композитные материалы, их структура, свойства, преимущества и недостатки. Подчёркивается роль композитов в создании лёгких, прочных и энергоэффективных летательных аппаратов, а также приводятся примеры их использования в современной авиации и возможные тенденции их применения. Применение новейших композитных материалов, способствует повышению эффективности, надёжности и безопасности полётов.

Ключевые слова: композитные материалы, композиты, современная гражданская авиация, технологическая эволюция, композитное будущее, сплавы нового поколения.

В мире стремительно продолжает расти количество авиаперевозок, из чего следует, что безопасность и экологичность полётов становятся всё выше. Изменение климатических условий, загрязнения от промышленных предприятий и истощение малочисленных ресурсов, которые являются источниками энергии, обуславливают появление новых тенденций в авиастроении и необходимость разработки инновационных подходов к созданию самолётов, а также внедрению передовых технологий в существующие самолеты ГА.

 Таким образом, можно выделить следующие направления:

1. использование специальных композитных материалов обладающих определёнными свойствами для производства различных деталей (двигателей, конструктивных элементов планера и других систем самолёта);
2. Перспективное направление - концепция «более электрифицированных» самолетов (More Electric Aircraft);
3. Интегрированная многомодульная авионика, адаптированная для наиболее эффективного управления бортовым оборудованием.

Композитные материалы

Многокомпонентные материалы или композиты, включают в себя несколько типов разных по составу материалов. Необходимость создания – формирование принципиально нового типа материала, который включит в себя химические и физические свойства составляющих её компонентов, распределенных в разных пропорциях, более выгодным способом для возникновения новых механических свойств[1]. Композиционные материалы – это уникальные по своей структуре соединения, которые обладают следующим перечнем признаков:

• в состав включены несколько компонентов, обязательно более двух, химический состав которых различен и разделяем отчётливо выраженной границей;
• имеет принципиально новые свойства, отличающиеся от свойств компонентов, входящих в состав этих материалов;
• обладает однородностью в макромасштабе и неоднородностью в микромасштабе;
• каждый компонент характеризуется отличительными свойствами, наличие которых в материале необходимо в большом количестве и в тесной связи с целым, т.е. больше некоторого критического значения.

Композитные материалы, именуемые в простонародье «композиты», значительно изменили множество сфер промышленности, став современным решением в высокотехнологичных изделиях, их преимущества, это небольшой вес и высокая механическая прочность. [2].

Экономические преимущества, ожидаемые от исследуемых в рамках данной статьи инновационных проектов – это современные разработки в сфере оборонной промышленности и авиакосмической техники. В первую очередь, они связанны с композитными материалами, ибо их преимущества это – лёгкость и стойкость к внешнему воздействию высоких температур. Именно такие вещества позволяют облегчить вес готового изделия, следовательно снизить расходы в ходе эксплуатации и затраты на горюче-смазочные материалы.

Подобного рода вещества состоят из высокопрочных элементов (волокна, нити, проволока, нитевидные кристаллы, гранулы, дисперсные высокотвёрдые и тугоплавкие соединения, составляющие армировку или наполнитель), связываемые матрицей из прочного и пластичного материала (металлических или неметаллических сплавов, преимущественно полимерных, материалов).

Исходя из научных источников [1; 2; 6] следует, что состав композитных материалов включает два составляющих компонента: матрица (связующее) и армирующие элементы (наполнители).

Рассмотрим конструкцию композитного материала.

Как отмечено выше, матрица – есть компонент, непрерывный во всем объеме композитного материала. Армирующий элемент по своей структуре – это прерывистый, разъединенный в объеме композиции элемент (элементы), представляющий собой второй основной компонент (рисунок 1).

Рисунок 1. Структура композитного материала.

Признаки классификации композиционных материалов с научной точки зрения приведены ниже:

• тип матрицы;
• вид армирующего элемента;
• особенности макростроения;
• методы получения.

Благодаря матрице, изделие из композитного материала сохраняет свою монолитную структуру и первоначально заданную форму. При помощи данного основного компонента структуры композитного материала обеспечивается равномерное перераспределение и передача нагрузки по его объему, тем самым формируется защита армирующих элементов от внешних воздействий. Технология процесса создания композита включает следующие параметры: определяется матричный тип, то есть его основные эксплуатационные характеристики (плотность, рабочую температуру, удельную прочность, сопротивление воздействию агрессивных сред и усталостному разрушению).

Классификация по типу материала матрицы рассматривалась многими исследователями [1–6].

Армирующие или упрочняющие элементы в матрице распределяются равномерно. Зачастую, они имеют высочайший запас прочности, твёрдость, и большой коэффициент упругости из чего можно сделать вывод, что по данным показателям имеют преимущество перед матрицей. В композиционный материал армирующие элементы вводятся для изменения его конструктивных свойств:

• повышения прочности, жёсткости, упругости и пластичности;
• изменение характеристик: (плотности, электрических, теплофизических и других в различных направлениях и отдельных местах изделия).

Армирующий или упрочняющий компонент можно назвать «наполнителем». В различных случаях наполнителями являются элементы, использование которых позволяет достичь не более чем 1,5…2-кратного увеличения прочности матрицы. Высокопрочные усы, волокна и ткани – это армирующие элементы (арматура), которые повышают прочность материала во многое количество раз, при соответствующем содержании в композиции, если сравнивать их с прочностью матрицы, что продемонстрировано на рисунке 2.

Рисунок 2. Структуры композитов.

Композиционные конструкционные материалы благодаря особенностям, таким как удельная прочность и удельный модуль упругости, превосходят стали или алюминиевые сплавы на 50–100 % , что способствует облегчению конструктивной массы на 20–50 % (рисунок 3).

Рисунок 3. Пример применения композиционных материалов в авиации.

Поэтому их интенсивно применяют в следующих авиа областях:

• в авиа отрасли и космонавтике. Например, из рассмотренного выше перечня материалов в больших коммерческих самолетах, как правило, выполнены элементы самолета такие как: крылья, хвостовое оперение и панели корпуса (рис. 3);
• Из композитных материалов в серийных БПЛА изготавливают фюзеляж и оперение [1;5].

Композитные конструкционные материалы в отличие от стали имеют больше прочности. Одним из немаловажных преимуществ композитов является коррозионная стойкость. Им присуща долговечность и повышенный запас надежности, а также обладание значительно меньшим конструктивным весом в сравнении с аналогами, выполненными из стали.

Рассмотрим преимущества и недостатки композиционных материалов нашего времени. Если сравнивать традиционные материалы (металлы), используемые конструкторами при создании самолётов, то композитные материалы имеют ряд преимуществ, важнейшими среди которых являются:

• сравнительно низкая плотность;
• высокая удельная прочность и жесткость;
• повышенная химическая и коррозионная стойкость;
• высокие усталостные характеристики волокнистых композитов;
• возможность управления силовыми потоками за счет рационального расположения арматуры;
• наличие специальных свойств (радиопрозрачность, термостойкость и др.) [1; 3; 5].

К недостаткам композитов можно отнести:

• большинство композитных материалов имеют более высокую стоимость в сравнении с классическими металлическими сплавами;
• прочность полимерных композитов относительно процесса сжатия довольно мала, что затрудняет стыковку и фиксацию изделий из них крепежными элементами.

1. Композиты обладают невероятной легкостью и поэтому все больше применяются в системах внутренних подключений (разъемов), для которых малый конструктивный вес – определяющий фактор. В большинстве таких приложений типичное снижение массы при использовании композитных материалов в сравнении с алюминием составляет приблизительно 40 %. Если сравнивать с деталями из латуни и нержавеющей стали, то наблюдается показатель 80 % [1; 3].
2. Композитные материалы имеют большой запас прочности. Например, широкое применение высокопрочных композитов со структурированным волокном, используются в бронежилетах и образцах современного вооружения, где конструктивно предусмотрена броня.
3. Композиты являются невероятно стойкими по отношению к агрессивным химическим составам. Рассматриваемые нами вещества имеют рад преимуществ, например они не будут подвержены коррозии или разрушаться, что позволяет использовать их в РЭА морского базирования [1; 3]..
4. Полимеры благодаря своей структуре менее подвержены механическому резонансу, поэтому детали с резьбовыми соединениями, в наше время выполняются из подобных материалов, и с меньшей долей вероятности ослабятся и отвинтятся при различных механических воздействиях, таких как удары или сильная вибрация (например, при железнодорожной перевозке войск транспортом или совершении марша по бездорожью [1; 3]).
5. Существуют композиты не обладающие электропроводностью. Данный аспект значим в виду того, что часто композиты необходимы в конструкциях, где нужна стойкость к внешнему воздействию и высокие электроизоляционные свойства [1; 3].
6. Композиционные материалы способны ослаблять магнитные поля, снижать влияние колебательных систем на коррозию и заглушать так называемую «акустическую подпись», то есть характерное любого устройства акустическое излучение, являющееся значимым свойством при разработке изделий, для которых важными характеристиками являются достижение наименьшей вероятности их обнаружения [1; 3].

Композитные материалы в гражданской авиации

Авиационная отрасль широко применяет композиционные материалы, что способствует улучшению характеристик летательных аппаратов, позволяя уменьшить их вес на 20–40 % при этом сохраняя оптимальное соотношение прочности и массы. В ходе применения композитов нового поколения, возрастает энергоэффективность, снижаются расходы связанные с эксплуатацией, и обеспечивается безопасность полётов.

Композиты широко применяются в авиации благодаря своей легкости, прочности, стойкости к коррозии и возможности создания сложных конструктивных форм. Ниже приведем некоторые области применения и способы использования композитов в авиационной отрасли промышленности:

1. Корпус самолета. Композитные материалы применяются в изготовлении обшивки, фюзеляжа, крыльев и хвостов самолетов. В результате снижается вес самолета, улучшается аэродинамика и происходит экономия топлива.
2. Внутренняя отделка. Композиты используют в целях обеспечения комфорта салона самолета, обшивки кабины, мебели, отделочных элементов и других деталей внутреннего интерьера.
3. Двигатель и оборудование. Композитные материалы необходимы для создания частей двигателей, воздушных винтов, лопастей турбин и других высокопрочных и термостойких деталей.
4. Шасси и подвеска. Композиты входят в составы для изготовления шасси, стоек подвески, аэродинамических обтекателей шасси и подобных элементов для того, чтобы уменьшить вес и повысить их прочность.
5. Ремонт и обслуживание. Композитные материалы также используются для ремонта и обслуживания самолетов, включая заплаты, панели, двери, а также иные детали.

Обобщая все вышесказанное, можем констатировать, что композитные материалы играют ключевую роль в современной авиации, позволяя создавать более легкие, эффективные и безопасные воздушные суда. Технологическая эволюция композитных материалов продемонстрирована на рисунке 4.

Рисунок 4. Технологическая эволюция композитов в авиационной отрасли.

Композиты из металла, обладая высокой жаропрочностью, соответствуют требованиям для разработки деталей двигателей нового поколения, таких как лопатки сопел и створок регулируемых сопел. Композиты, произведенные из керамики, нужны, чтобы изготовить теплонагруженные поверхности носовой части фюзеляжа и передних кромок крыльев высокоскоростных самолётов. Информационно-композитные материалы, обладающие сенсорными элементами, могут отслеживать критические конструкционные деформации, уменьшая затраты на диагностику, техобслуживание и, соответственно, ремонт.

Композитное будущее

Безусловно, композиционные материалы представляют собой наиболее востребованные продукты современной промышленности. Они бесспорно нужны в высокотехнологичных отраслях современной промышленности, в том числе авиационно-космической. Следует учесть, что композиты разделяются на три вида: полимерные композиционные материалы (ПКМ), металлические композиционные материалы (МКМ) и керамические конструкционные композиционные материалы (КККМ) [4].

Композиты нового поколения уже используются в пассажирском самолёте «Sukhoi Superjet», а также входят в состав ближне-среднемагистрального пассажирского самолёта «Иркут МС-21» и высокоскоростного вертолёта [4; 5].

Сплавы нового поколения

Одной из ключевых задач нашего времени является конструирование и внедрение лёгких и прочных сплавов. В первую очередь речь идёт об алюминиевых сплавах с литием, сочетающихся с передовыми технологиями соединения, включая твёрдотельную сварку. Следовательно, подобного рода соединения позволяют значительно снизить конструкционную массу и как результат – уменьшить расход топлива.

Применение новых материалов в совокупности с передовыми технологиями сварки позволило не только повысить устойчивость конструкции, но и снизить её массу на 10–15 % [4].

Возникает еще один вопрос: «Как защитить материалы от разрушения?»

Опыт показывает, что недостаточно создать материал, необходимо предусмотреть, каким образом он будет существовать в реальных условиях эксплуатации, поскольку этот факт определяет безопасность людей. Еще один аспект – защита материалов от негативных воздействий окружающей среды.

Композитные материалы подвержены разрушению под воздействием ультрафиолета, ветра, морской соли, микроорганизмов и других природных факторов подобно иным промышленным аналогам. По оценкам специалистов и ученых, можно предотвратить около четверти всех потерь, используя научно обоснованные методы защиты материалов от коррозии, старения, биоповреждения, а также климатических воздействий иного рода.

Для борьбы с коррозией и деградацией структуры исследователями из различных структур разрабатываются комплексные защитные системы для конструкций из металлических и полимерных композиционных материалов, а также разрабатываются технологии протекции и ремонта, создаются специальные методики испытаний [4; 6].

Подводя итог, выделим основные значимые моменты из статьи:

• Композиты состоят из нескольких отдельных материалов и представляют собой комбинирующую субстанцию, в которой свойства данных материалов используются наиболее выгодно;
• По удельной прочности и удельному модулю упругости композиты могут превосходить стали или алюминиевые сплавы до 100 %, обеспечивая, таким образом, облегчение конструкции до 50 %;
• Достоинства композитных материалов, такие как: сравнительно низкая плотность; высокие удельная прочность и жесткость; высокая химическая и коррозионная стойкость; высокие усталостные характеристики волокнистых композитов; обладание специальными свойствами и подобные им, позволяют добиться повышения показателей эффективности конечных изделий, что способствует стабильному росту объёма композитов, используемых в образцах гражданской авиации (ГА), подтверждаются преимуществами использования (рисунок 5) и динамикой спроса (рисунок 6) композитных материалов на рынке.

 

Рисунок 5. Преимущества использования композитов.

Рисунок 6. Динамика спроса на композиты в аэрокосмическом секторе, млн фунтов.

Список литературы

1. Введение в композиционные материалы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://detalmach.ru/composit.htm (дата обращения: 20.05.2024).
2. Ивченко Е. Использование композитных материалов в оборонной промышленности и аэрокосмической индустрии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.elec.ru/publications/peredacha-raspredelenie-i-nakoplenie-elektroenergi/2371/ (дата обращения: 15.05.2024).
3. Использование композитных материалов в оборонной промышленности и аэрокосмической индустрии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ptelectronics.ru/stati/ispolzovanie-kompozitnyih-materialov-v-oboronnoy-promyishlennosti-i-aerokosmicheskoy-industrii/ (дата обращения: 16.05.2024).
4. Каблов Е.Н. Из чего сделать будущее? Материалы нового поколения, технологии их создания и переработки – основа инноваций [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://agnc.ru/publication/8054 (дата обращения: 17.05.2024).
5. Композиционные материалы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://profikd.ru/services/slesar-santehnik/kompozitsionnye-materialy/ (дата обращения: 17.05.2024).
6. Мониторинг глобальных технологических трендов. Новые технологии авиастроения. Трендлеттеры [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://issek.hse.ru/trendletter/news/192541548.html (дата обращения: 15.05.2024).