В процессе производства пассажирских самолетов модели МС-21 особое внимание уделяется композитному крылу, которое известно как «чёрное крыло» из-за своего цвета, выполненного из углепластика и представляет собой одну из ключевых особенностей данной модели. На сегодняшний день этот элемент крыла производится на заводе «АэроКомпозит» в рамках Объединенной авиастроительной корпорации с использованием отечественных материалов.
Такая возможность появилась благодаря успешно проведенной программе замены зарубежных композитов, которые прекратили поставки из-за наложенных санкций. Применение композитных материалов в конструкции современных пассажирских самолетов МС-21 составляет примерно от 30 до 50 процентов, и это технология, которую используют уже достаточно давно на отечественных авиационных предприятиях.
Когда-то считалось, что композиты могут использоваться только на больших самолетах с широким фюзеляжем. Но с тех пор наступила новая эпоха - эра композитной авиации. Самолеты из композитных материалов выходят на передний план: закрылки, створки шасси, обтекатели – все это уже композитное.
Новый МС-21 обогнал всех тех, кто раньше был впереди, став первым в своем роде с композитным крылом, составляющим 40% его массы. Например, еще в 1990-х годах в авиалайнере Ту-204 доля композитов составляла примерно четверть деталей. В самолете Sukhoi Superjet 100 композитными стали закрылки, створки шасси, обтекатели и прочие элементы.
В этой «композитной гонке» все отечественные самолеты обогнал новый среднемагистральный МС-21 – на композиты приходится 40% массы лайнера. Это первый отечественный, а также первый в мире в своем классе, самолет с композитным крылом.
Применение композитных материалов на узкофюзеляжных самолетах долгое время было ограничено, несмотря на то, что они являются самыми массовыми в мире. В рамках проекта МС-21 российские конструкторы проявили явное внимание к плюсам "черного крыла" для среднемагистрального воздушного судна.
Создание крыла с более совершенной аэродинамической формой и лёгким весом позволяет существенно снизить затраты на топливо. Усилия конструкторов всегда направлены на увеличение удлинения крыла - отношения размаха крыла к его средней хорде.
Для достижения отличного результата с алюминием приходится столкнуться с высокой сложностью из-за его большой плотности и веса. Однако, при увеличении длины конструкции, собственный вес становится крайне значительным, особенно в зоне основания крыла. Удлинение алюминиевого крыла обычно составляет примерно 8-9 раз, что создает тяжелое бремя.
В сравнении с этим, углепластик, который является прочным и легким материалом, позволяет достичь еще более впечатляющего результата, как в случае с МС-21, где уровень удлинения крыла достигает 11,5. Улучшенная аэродинамика крыла обеспечивает увеличение крейсерской скорости и высоты полета, а также экономию топлива.
Согласно анализу топливных затрат, среднемагистральный самолет с обычным алюминиевым крылом потребляет около 140 тыс. тонн горючего за весь период эксплуатации. Применение композитного крыла на МС-21 снижает расход на 6%. Из этого следует, что использование "черного крыла" позволит современному российскому лайнеру сократить расход топлива на более чем 11 тыс. тонн.
Компания "АэроКомпозит", входящая в Корпорацию "Иркут" из состава ОАК Ростеха, разработала композитное крыло для МС-21. Полный цикл производства крыла осуществляется на предприятии, которое поставляет уже готовую консоль на Иркутский авиазавод.
На производстве композитного крыла действуют две компании из группы "АэроКомпозит". Производство основных панелей и лонжеронов осуществляется на заводе "АэроКомпозит-Ульяновск". На этом заводе также проводят финальную сборку. В Казани компания "КАПО-Композит" занимается созданием всей механизации крыла и части внутреннего набора.
В компаниях применяют два основных способа изготовления композитных элементов. Первый метод - это традиционная автоклавная технология. Сначала формируется "сэндвич" из углепластика, известный как препрег. Затем препрег помещается в автоклав, где через несколько часов превращается в авиационную деталь. На заводе "КАПО-Композит" в Казани изготавливают механизацию крыла и хвостового оперения с помощью автоклавной технологии.
Создание сложных деталей для авиации возможно с помощью различных технологий. Например, один из методов производства композитных авиадеталей – использование инфузионной технологии. Этот метод позволяет быстрее выпускать детали, такие как крыльчатка. При использовании автоклавного метода сборки, большие детали могут собираться только из отдельных элементов, что делает сложные интегральные детали невозможными, в отличии от инфузионного метода.
Важным преимуществом инфузионной технологии является то, что не требуются специальные автоклавы для процесса. В России на сегодняшний день наиболее крупным предприятием, использующим этот метод, является завод «АэроКомпозит-Ульяновск», который выпускает композитные авиационные детали.
Первое в мире ульяновское предприятие Объединенной авиастроительной корпорации Ростеха наладило производство крупных панелей кессона крыла с использованием передовой инфузионной технологии. Этот подход включает автоматизированную укладку углеродной ленты, что является уникальным для отрасли.
На первых этапах композитные материалы для самолета МС-21 поставлялись из-за рубежа, однако затем началось производство комплектов крыла на отечественных предприятиях. В результате, российская технология теперь отличается от иностранных аналогов и стала примером передовых инноваций в авиастроении.
С начала 2018 года российская авиаиндустрия столкнулась с проблемой прекращения поставок композитных материалов из-за внешних ограничений и санкций. Однако благодаря оперативным действиям авиастроителей, удалось быстро заменить импортные поставщики на отечественные производителей. Этот процесс был ускорен благодаря заранее подготовленной технологической базе в России, где проводились работы по производству композитов с 2015 года.
Сотрудничество ученых Московского государственного университета и компании "Росатом" позволило создать материалы для силовых композитных конструкций крыла. Сегодня при разработке крыла самолета МС-21 используются только отечественные композитные материалы как для инфузионной, так и для автоклавной технологий производства.
В небо МС-21-300 поднялся 25 декабря 2021 года, демонстрируя свои блестящие характеристики. В марте 2024 года было завершено успешное проведение сжатых испытаний российского черного крыла. «Иркут» совместно с «АэроКомпозит» и ЦАГИ отчитались о прекрасных результатах испытаний, обозначив конец этапа замены импортных композитов на отечественные.
При проведении испытаний кессон МС-21 успешно справился с выдерживанием нагрузки, которая значительно превышала полуторазовую расчетную. Для проверки устойчивости композитов к высоким температурам, в процессе испытаний дополнительно нагревалась часть конструкции крыла. Это позволило подтвердить высокую прочность и безопасность самолета в различных условиях полета согласно авиационным нормам.