Новость класс, вроде бы, но стоит, как обычно разобраться чуть-чуть.
Как мы и говорили - 2023 год год прямо год авиации в РФ.
На заводе «Аэрокомпозит» в Ульяновске началось серийное производство крыла для самолета МС-21, которое прозвали «чёрным» из-за цвета углепластика.
В этом году году «Аэрокомпозит» планирует выпуск четырех самолетокомплектов для МС-21. В 2024 году их количество вырастет до шести. В будущем планируют наращивать производство. Иными словами, до конца 2024 года при идеальных раскладах можно целых 5 штук МС-21 произвести (не вдаемся в подробности о возможностях по иным компонентам). Вспоминаем об импортозамещении действующего авиапарка к 2030 году - не стыкуются цифры, даже слегка. Идём дальше.
В прошлом году завод впервые выпустил крыло для МС-21-300 с российскими композитными материалами. После этого такое крыло было запущено в серийное производство.
Как рассказал генеральный директор «Аэрокомпозита» Анатолий Гайданский, в настоящее время на заводе используются только российские материалы, среди них композитные и вспомогательные, а также краски и герметики.
На предприятии в Ульяновске всё делается из российских материалов, ничего импортного практически не осталось (так всё делается или что-то осталось импортное? – непонятно): российские композитные материалы, вспомогательные материалы, краски, герметики. Здесь уже полностью весь процесс импортозамещён. Сейчас на заводе ведётся серийное производство, мы вносим небольшие изменения в конструкцию композитного крыла, так как в процессе импортозамещения у нас меняются некоторые компоненты. Но это не глобальные изменения, и «АэроКомпозит» находится в графиках и планах, которые задала корпорация «Иркут».
Анатолий Гайданский
Вроде бы неплохо и мы резко шагнули в технологиях. Давайте углубимся немного в историю, ведь без неё никак.
К дате первого полёта МС-21 в мировой гражданской авиации было всего три самолёта, у которых крыло изготовлено из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Это Boeing B787 Dreamliner, Airbus A350 XWB и Bombardier CSeries. 28 мая 2017 года компанию этой тройке составил и российский МС-21 – эта новость громко звучала ещё в 2017 году, и был представлен первый МС-21 с черным крылом. Иными словами - НИКАКИХ прорывов за год нет в этой разработке и МС-21 ИЗНАЧАЛЬНО проектировался с таким крылом. Идём дальше.
Одним из преимуществ деталей из ПКМ является их устойчивость к коррозии и распространению повреждений. Композиты можно назвать универсальными материалами, они могут использоваться в самолётостроении, оборонной промышленности, кораблестроении и прочих областях, в которых к материалу предъявляют повышенные требования по таким характеристикам как прочность и жёсткость, хорошее сопротивление хрупкому разрушению, жаропрочность, устойчивость свойств при резкой смене температуры, долговечность.
Изготовление композиционых деталей в авиапромышленности производится методом автоклавного формования – получение многослойных изделий из так называемых препрегов – композиционных материалов-полуфабрикатов, получаемых предварительной пропиткой полимерной смолой углеродных тканей. Одним из существенных недостатков этой технологии является высокая стоимость получаемых деталей, которая во многом определяется длительностью процесса их формования, ограниченным сроком хранения препрегов и высокой стоимостью технологического оборудования. По нормативным документам гарантийный срок хранения препрега в морозильной камере в диапазоне температур от -19°С до -17°С составляет 12 месяцев. Время хранения препрега при температуре 20±2°С – 20 суток, при этом заготовку детали можно выкладывать в условиях производственного участка только в течение 10 суток. Также основу (так называемый жидкий композит) изготавливают лишь США, Великобритания (Китай под жёстким контролем англов на своём СП) и Япония, а они с нами не особо сейчас дружат.
Альтернативой препрегово-автоклавной технологии являются «прямые» процессы (directprocesses), суть которых заключается в совмещении операций пропитки углеродного волокна полимерной смолой и формования детали, что приводит к сокращению времени производственного цикла, снижению энерго- и трудозатрат и, как следствие – к удешевлению технологии. Если отказаться от препрега и автоклава, то можно не только существенно снизить себестоимость изготовления деталей из ПКМ, но и существенно увеличить их размер. Одним из методов безавтоклавного формования является технология вакуумной инфузии – Vacuum Infusion, VARTM.
По этой технологии пропитка сухого углеродного волокна и формование детали происходит на оснастке с закреплённым на ней вакуумным мешком. Полимерное связующее закачивается в форму за счёт разряжения, создаваемого под вакуумным мешком. Это позволяет существенно снизить затраты на подготовку производства крупных конструкций благодаря возможности применения более простой и дешёвой оснастки. К основным недостаткам технологии вакуумной инфузии стоит отнести, в первую очередь, трудности воспроизводимости процесса – необходима тщательная отработка технологии, чтобы получать детали со стабильными геометрическими и физико-механическими характеристиками.
У широкофюзеляжного лайнера Boeing B787 Dreamliner из ПКМ выполнены фюзеляж (кстати, за фюзеляж МС-21 пока ничего не известно, а на одних крыльях не полетаешь) и консоли крыла, которые производятся автоклавно-препреговым методом. Также для этого самолёта немецкая компания Premium Aerotec использует метод VAP (Vacuum Assisted Process) для изготовления гермошпангоута, компания Boeing Aerostructures (бывшая Hawker de Havilland) применяет метод контролируемой инфузии CAPRI (Controlled Atmospheric Pressure Resin Infusion) для производства отклоняемых аэродинамических элементов киля, крыла и хвостового оперения: элероны, флапероны, закрылки и спойлеры. Канадская компания Bombardier применяет метод LRI и автоклавную полимеризацию для изготовления консолей крыла семейства самолётов CSeries (сейчас это Airbus А220). GKN Aerospace из Великобритании в мае 2016 года продемонстрировала композитный центроплан изготовленный методом вакуумной инфузии с использованием недорогого набора инструментов и оснастки.
Российский завод «АэроКомпозит» в Ульяновске первым в мировой гражданской авиации применяет безавтоклавный метод вакуумной инфузии (VARTM) для изготовления из ПКМ крупных интегральных силовых конструктивных элементов (это громко и это действительно так).
Крыло и оперение типичного узкофюзеляжного самолёта составляют 45% от веса планера, на фюзеляж приходится ещё 42%. ОАК видит задачу, которую необходимо решить, чтобы добиться успеха в условиях жёсткой конкуренции на рынке узкофюзеляжных самолётов: если оптимальное использование композитов в конструкции МС-21 позволит снизить вес лайнера и уменьшить производственные затраты на 45%, тогда и самолёт, и российские технологические компании упрочат свои позиции в мировом авиастроении.
Российские исследования 2009 года показали, что использование печи вместо автоклава может снизить капитальные затраты с $2 млн. до $500 тыс. Для деталей от 8 м² до 130 м² печь может стоить от 1/7 до 1/10 стоимости сопоставимого размера автоклава. Кроме того, стоимость сухого волокна и жидкого композитного заполнителя может быть меньше на 70%, чем те же материалы в препреге. У МС-21-300 размер крыла – 3х36 метров, размер центроплана составляет 3х10 метров. Таким образом, экономия затрат «Аэрокомпозита» видится весьма значительной.
Тем не менее, генеральный директор АО «АэроКомпозит» Анатолий Гайданский поясняет, что стоимость автоклавов и препрегов не была единственным критерием принятия решения в пользу метода вакуумной инфузии. Эта технология даёт возможность создавать большие интегральные конструкции, которые работают как единое целое. Отступим немного и поясним, что в общем то любая из рассматриваемых технологий это дает, более того, автоклавные, с применением жидкого полимера, дают технологию финишной обработки крыла, без применений дополнительных покрытий (немного утрировано конечно).
По заказу «АэроКомпозита» австрийскими компаниями Diamond Aircraft и Fischer Advanced Composite Components (FACC AG) были разработаны и изготовлены четыре десятиметровых прототипа кессона крыла, которые с лета 2011 по март 2014 года прошли в ЦАГИ весь комплекс прочностных испытаний, и была проведена экспериментальная стыковка прототипа кессона крыла с центропланом. Эти исследования во-первых, подтвердили, что заложенные конструкторами расчётные параметры обеспечивают безопасность полётов, а во-вторых, применение крупных интегральных структур значительно снижает трудоёмкость сборки, уменьшает количество деталей и крепёжных элементов. Запоминаем этот момент и идём дальше.
Для МС-21 метод вакуумной инфузии используется при изготовлении крупных силовых интегральных элементов первого уровня: лонжеронов и панелей крыла со стрингерами, секции панелей центроплана, силовые элементы и обшивку киля и хвостового оперения. Эти элементы изготавливаются и собираются на заводе «АэроКомпозит» в Ульяновске.
В целом метод вакуумной инфузии относительно прост. По словам главного технолога «АэроКомпозит-Ульяновск» Алексея Ульянова (ещё в 2017 году), он позволяет изготавливать детали быстро, относительно дешево и без жесткой привязки к срокам хранения материалов. В частности, препреги хранятся в среднем 30 суток с момента производства. И за это время необходимо успеть выложить все необходимые детали конструкции. С этой точки зрения вакуумная инфузия позволяет не торопиться — углеткань и связующее по отдельности хранятся очень долго. Ульянов с самого начала занимался разработкой метода вакуумной инфузии применительно к силовым длинномерным элементам конструкции консоли крыла самолета (опять вспоминаем, кто в принципе занимался данной разработкой - смотрим выше).
Производство же деталей из препрегов — довольно трудоемкий процесс. Пропитанную связующим ткань необходимо выкроить по лекалам и затем отпозиционировать все слои на оснастке. При выкладывании слоев необходимо «выгонять» мельчайшие пузырьки воздуха, образующиеся между ними, которые могут привести к возникновению каверн в деталях и снижению их прочности. Собранные из слоев препрегов элементы «выпекаются» в специальных автоклавах под большим давлением, которое может достигать шести атмосфер. При автоклавном методе каждая деталь «выпекается» отдельно. Затем они собираются вместе и проходят повторное «выпекание».
Именно так собираются панели для крыльев B787 и A350 XWB. Стрингеры выпускаются отдельно, а сами панели отдельно, а затем составляются в единую конструкцию. В этом случае граница раздела между полимерной поверхностью одной детали и поверхностью другой сохраняется, а значит весь элемент получается чуть менее прочным, но ремонто пригодным. Метод вакуумной инфузии позволяет изготавливать интегральные элементы: стрингеры и панели выкладываются из углеволокна отдельно, но на специальной оснастке заливаются связующим уже совместно. Так получается единая деталь, которую после механической обработки и нанесения покрытий можно ставить на самолет. Звучит неплохо, но как видим есть свои плюсы и минусы в технологиях.
В авиации активно развивалась именно автоклавная технология, просто потому что, долгое время не существовало подходящих по характеристикам связующих, пригодных для вакуумной инфузии. Они появились только во второй половине 1990-х годов. По этой причине выкладка деталей из препрегов уже хорошо освоена. Airbus и Boeing выпускают очень большое количество самолетов и располагают большим количеством заказов на новые самолеты. В таких условиях цена ошибки при внедрении новой технологии очень высока. Во многом по этой причине компании решили придерживаться проверенной технологии препрегов.
С этой точки зрения Объединенная авиастроительная корпорация, занимающаяся разработкой МС-21, оказалась в выгодном положении при применении данной технологии. Большого портфеля заказов на еще не созданный самолет не было, не нужно было спешить с выпуском серийных самолетов, словом, никто не торопил и было время на изучение новой технологии. Были проведены и исследования совместимости материалов в конструкции крыла. Крыло МС-21 состоит из почти девяти тысяч различных деталей. В численном отношении доля композитных элементов не велика — около 30 процентов. По массе же они составляют около 65 процентов крыла. Элементы крепятся и между собой, и с другими элементами.
И теперь вновь возвращаемся к практической реализации в России.
Разработка технологии
Технология производства «чёрного» крыла самолёта МС-21 создана специалистами «АэроКомпозита» в тесном сотрудничестве с зарубежными производителями технологического оборудования (также обращаем на это внимание и запоминаем). Метод вакуумной инфузии существует уже многие годы, но такое крупное и сложное изделие, как крыло самолёта, по этой технологии впервые сделали в Ульяновске.
Автоматическую выкладку сухого материала для изготовления крупных интегральных конструкций никто никогда в авиапромышленности не применял, так как в этом не было необходимости.
В середине нулевых, когда началась разработка композитного крыла для нового лайнера, Россия не располагала технологиями изготовления углеволокна на основе прекурсоров полиакрилонитрила (ПАН) с характеристиками нитей уровня Т700-Т800 западного производства. По этой причине с 2009 по 2012 годы «АэроКомпозит» взаимодействовал с различными компаниями по всему миру, чтобы выбрать материалы и технологию повторяемого процесса требуемой точности и качества и низкой по себестоимости вложений. На начальном этапе шла работа с американской компанией Hexcel, но позднее «АэроКомпозит» переключился на альтернативных поставщиков. Была выбрана продукция бельгийской Solvay, американское подразделение которой Cytec Industries производит и смолы, и сухое углеволокно, а также – японская компания Toho-Tenax, производящая углеродные нити.
Ну что ж, технологию выбрали (вспоминаем, что везде пишется, что технология российская) и завозим российское оборудование. Но не получается с этим – его нет попросту в России такого.
Роботизированные установки для сухой автоматизированной выкладки углеродного наполнителя поставила компания Coriolis Composites, на этом оборудовании производятся лонжероны крыла. Роботизированную установку для сухой выкладки портального типа, на которой изготавливают панели крыла, поставила испанская MTorres. Термоинфузионные центры TIAC разработаны французской компанией Stevik.
По словам Анатолия Гайданского (опять же ещё в 2017 году), сам по себе процесс вакуумной инфузии не налагает особых требований к проектированию конструктивных элементов крыла, в основном он оказывает влияние на разработку технологической оснастки, где должен быть сохранён баланс между способностью производить детали с высокой точностью, сохраняя при этом работоспособность процесса инфузии (именно для этого необходимы роботизированные комплексы). В научно-исследовательской лаборатории АО «АэроКомпозит» было проведено большое количество тестов с материалами, деталями и образцами элементов, чтобы определить этот баланс. В итоге была выбрана ткань, в которой углеволокно не переплеталось, а при помощи полимерной нити было скреплено в единое полотно. Благодаря тому, что волокно не переплетается, оно практически не имеет механических повреждений, сказывающихся на прочности детали.
Компания MTorres стала одним из ключевых участников процесса выбора материала, так как эта испанская компания много экспериментировала с различными вариантами машинной укладки сухого волокна. Несмотря на то, что у неё уже был значительный опыт, полученный в 2009 году при разработке лопастей из стеклоткани для ветряков Gamesa, в 2012 году был подписан контракт с «АэроКомпозитом» на разработку оборудования для автоматизированной выкладки сухого углеволокна, что представлялось гораздо более сложной задачей (запоминаем, кто разрабатывал оборудование). Композитные изделия обычно состоят из нескольких слоёв углеволокна с разными углами ориентации – такая укладка ткани необходима для оптимизации устойчивости к нагрузке по различным направлениям, так как композитное крыло в процессе эксплуатации самолёта подвергается воздействию комплексной внешней нагрузке, которая работает и на сжатие, и на растяжение, и на скручивание.
«Сухой материал, в отличие от препрегов, по определению не пропитывается какой-либо смолой, и таким образом, легко перемещается из положения, в которое был уложен, – объясняет директор по продажам MTorres Хуан Солано. – Наша задача состояла в том, чтобы каким-то образом зафиксировать материал для точной автоматизированной выкладки и убедиться, что он не меняет своего положения в дальнейшем».
Для решения этой задачи был использован очень тонкий слой термопластика в качестве связующего элемента для удержания волокна на месте. Г-н Солано рассказывает, что для активирования связующего слоя MTorres разработал теплоотводящее устройство, размещаемое в головной части преформы и обеспечивающее минимальную способность к прилипанию. Это решение сделало жизнеспособным автоматизированный процесс выкладки.
После размещения волокна преформу помещают в термоинфузионную установку (TIAC), которая представляет собой интегрированную систему, состоящую из модуля впрыска, модуля нагрева и программно-аппаратного комплекса для обеспечения автоматизации процесса инфузии с точным соблюдением заданных технологических параметров. Установка смешивает, нагревает и дегазирует эпоксидную смолу, управляет процессом заполнения вакуумного мешка смолой и процессом полимеризации. TIAC отслеживает и контролирует температуру и количество смолы, поступающей в преформу, скорость заполнения, целостность вакуумного мешка и преформы. Уровень вакуума контролируется с точностью, не превышающей 1/1000 бара – 1 милибар. Человек в эти процессы не вмешивается. Помним поставщика и разработчика оборудования?
Технологический процесс изготовления кессона крыла МС-21 выглядит следующим образом:
1. Подготовка оснастки и выкладка вспомогательных материалов.
2. Выкладка сухой углеродной ленты и предварительное формование в автоматическом режиме на выкладочной оснастке.
3. Сборка вакуумного мешка.
4. Инфузия (пропитка) сухой заготовки в термоинфузионном автоматизированном центре.
5. Разборка пакета и зачистка деталей.
6. Проведение неразрушающего контроля.
7. Механическая обработка, сверление отверстий, контроль геометрии.
8. Покраска и сборка.
Все работы производятся в «чистой комнате», в которой количество дисперсионных частиц в воздухе не превышает их количества в стерильной операционной, ведь, если в карбон попадает даже небольшая пылинка, то он становится некачественным и изделие уйдёт в брак.
После выкладки преформ лонжеронов они поступают на участок перемещения из позитивной оснастки в негативную, а преформы обшивки панелей крыла – на участок перемещения выкладочной оснастки в инфузионную. Здесь оснастку запечатывают в специальный конверт, с разных сторон к которому подведены трубки. По одним откачивается воздух, по другим за счёт возникающего разряжения подается связующее.
Стрингеры и панели выкладываются из углеволокна отдельно, но на специальной оснастке заливаются композитной смолой уже совместно. Полимеризация панели со стрингерами при инфузионной технологии происходит за один цикл. При автоклавной технологии требуется два цикла отверждения: 1-й цикл – отверждение стрингеров, 2-й цикл – совместное отверждение стрингеров и обшивки, при этом суммарные временные затраты получаются на 5%, а энергозатраты – на 30% выше, чем при использовании технологии VARTM.
Метод вакуумной инфузии за один цикл пропитки позволяет создавать интегральную монолитную деталь в противоположность клее-клёпанным автоклавным конструкциям, где клеевая плёнка укладывается между стрингером и обшивкой, а процесс установки механического крепежа для дополнительной фиксации стрингеров увеличивает трудоёмкость изготовления панелей до 8%.
Далее преформы перемещаются в термоинфузионные автоматизированные центры с габаритами рабочих зон 22х6х4 м и 6х5,5х3 м в зависимости от размера детали. Здесь происходит процесс инфузии и полимеризации изделия.
По окончании инфузии деталь поступает на участок проведения неразрушающего ультразвукового контроля. Здесь на роботизированной установке Technatom производится оценка качества и надёжности полученной детали – отсутствие трещин, полостей, неравномерности затвердевшего заполнителя и т.д. Неразрушающий контроль имеет особенное значение при создании и эксплуатации жизненно важных изделий, которым, в частности, и является крыло самолёта.
Следующий этап – механическая обработка детали на 5-координатном фрезерном центре MTorres, после чего готовая панель или лонжерон поступает на участок сборки кессона крыла.
В сентябре 2018 года США ввели санкции против «АэроКомпозита», что привело к остановке поставок материалов для производства композитного крыла и других силовых элементов конструкции самолёта, необходимость в наличии собственных технологий обозначилась особо остро. Учёным пришлось искать замену волокнам Solvay Т800.
«Когда американцы ввели санкции и перестали поставлять волокна, встала задача найти импортозамещение. Да, работа идёт, но есть некоторые проблемы. Важно, чтобы был полный аналог тех волокон, из которых уже построены самолёты и проходят сертификацию, иначе придётся всё делать по новой», – рассказывал в июне 2019 года генеральный директор ВИАМ Евгений Каблов.
С компанией Hexcel «АэроКомпозит» взаимодействовал на начальном этапе отработки технологии VARTM – когда начинался проект, в России не производились ПКМ требуемого качества. Затем в производстве крыла использовалась продукция бельгийской Solvay, материал производит её американское подразделение. За годы, прошедшие с начала реализации программы композитного крыла, параллельно с использованием импортных компонентов, в России были разработаны отечественные материалы и связующие смолы. Для производства угольного волокна, которое может быть использовано для изготовления силовых конструкций центроплана и кессона крыла МС-21, Росатом построил завод в Алабуге. У «АэроКомпозита» есть партнёры и по производству биндерной ленты, и по связующему (вроде бы все из России, но это не точно).
С целью формирования отечественного рынка ПКМ в России было создано АО «НПК «Химпроминжиниринг» – управляющая компания дивизиона госкорпорации Росатом по композитным материалам, которая под брендом Umatex Group объединяет научно-исследовательский центр и предприятия по производству высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон и тканей на их основе. Компания ведёт разработку технологий (видимо добились прогресса в настоящее время), цель которых использовать в программе МС-21 углеродное волокно, ткань и предварительно пропитанные материалы только российского производства.
В 2018 году прошла сертификацию отечественная композитная нить, по прочности она не уступает американским или европейским аналогам, в том числе применяемой в производстве крыла МС-21.
В марте 2019 года стало известно, что «АэроКомпозит» уже приступил к изготовлению кессона крыла и центроплана из отечественных материалов. Препреги для изготовления механизации крыла выпускают несколько российских компаний. Материалы протестированы и запущены в производство агрегатов для МС-21. Композитное хвостовое оперение изготавливает ОНПП «Технология» в Обнинске.
22 ноября 2021 года в особой экономической зоне «Алабуга» в Татарстане состоялась торжественная церемония запуска завода по производству ПАН-прекурсора для получения углеродного волокна. На производстве используется оборудование итальянской компании МАЕ. Строительство завода заняло три года. Общий бюджет проекта составил 8,5 млрд. руб. Процесс формования прекурсора для углеродного волокна в таком масштабе создан в России впервые. Мощность составляет 5 тыс. тонн полиакрилонитрильного волокна в год. ПАН-прекурсор определяет 70% качественных и 40% стоимостных характеристик углеволокна.
Прочитали? Теперь подводим итоги:
- австрийскими компаниями Diamond Aircraft и Fischer Advanced Composite Components (FACC AG) были разработаны и изготовлены четыре десятиметровых прототипа кессона крыла и это основа для дальнейшего развития производства. Разработка российская?;
- разработка и производство оборудование под задачи изготовления данного крыла российское? Да как бы не особо – японцы, испанцы, итальянцы, французы, бельгийцы;
-да сейчас, вроде бы и смолы и нити производятся в РФ, но читаем выше на основе, чьих технологий (кстати, не факт, что не производятся по лицензии).
Импорто независимы? В какой-то мере – про ремонт и обслуживания оборудования не забываем.
Вот как бы так – выводы для себя делает каждый сам.
