Использование композитных материалов в конструкции самолётов началось во время Второй мировой войны. Именно тогда при производстве фюзеляжей стратегических бомбардировщиков «В-29» стали использовать стекловолокно. В конце 50-х годов этот материал начал широко применяться при изготовлении планеров. В 1965 году был сертифицирован первый летательный аппарат, полностью изготовленный из стекловолокна – швейцарский планер «Diamant HBV».
В современных самолетах композитные материалы активно используются при производстве фюзеляжа, крыла, хвостового оперения, гондолы двигателя, лопаток винта и многого другого. А в новейших пассажирских ВС, таких как Boeing 787 и Airbus A350, примерно 50% конструкции выполнено из композитов.
К таким композитным материалам относятся стекловолокно, углепластик, кевлар, а также их сочетания. Композитная конструкция имеет два важных преимущества: чрезвычайно гладкая поверхность и возможность изготовления сложных изогнутых и обтекаемых структур.
Композитный материал – это искусственно созданный, неоднородный материал, состоящий из наполнителя и армирующих элементов (волокон). Наполнитель выступает в качестве своеобразного «клея», скрепляя волокна и (при вулканизации) придавая изделию форму, а волокна принимают на себя основную часть нагрузки. Вулканизация композитных материалов – процесс, при котором полимерная композиция затвердевает под воздействием температуры и давления. В результате вулканизации волокна связываются вместе, что обеспечивает прочность, жёсткость и размерную стабильность материала.
Существует множество различных типов волокон и наполнителей. При изготовлении летательных аппаратов чаще всего используется эпоксидная смола. По сравнению с другими аналогичными материалами (такими как полиэфирная смола), эпоксидная смола значительно прочнее. Кроме того, она лучше выдерживает высокие температуры. Есть много вариантов эпоксидных смол, которые различаются характеристиками, временем и температурой вулканизации, а также стоимостью.
В качестве армирующих волокон при производстве ЛА чаще всего используются стекловолокно и углеродное волокно.
Стекловолокно обладает хорошей прочностью на разрыв и сжатие, высокой стойкостью к ударным нагрузкам. Это простой в работе, относительно недорогой и широко распространенный материал. Его основным недостатком является достаточно большой вес. Из-за этого из стекловолокна сложно изготовить несущий корпус, который по лёгкости мог бы соперничать с аналогичным алюминиевым.
Углеродное волокно в целом прочнее на разрыв и сжатие, чем стекловолокно, и гораздо более жёсткое на изгиб. Оно также существенно легче, чем стекловолокно. Однако его стойкость к ударным нагрузкам несколько ниже, волокна достаточно хрупкие и при резком ударе ломаются. Углеродное волокно имеет более высокую стоимость, чем стекловолокно. Хорошо сконструированные структуры из углеродного волокна могут быть значительно легче, чем аналогичные алюминиевые, иногда более, чем на 30%.
Композитные материалы имеют несколько существенных преимуществ перед другими материалами, применяемыми в авиастроении: металлами, деревом или тканью.
Чаще всего в качестве основного преимущества называют меньший вес. Однако следует понимать, что корпус самолёта, изготовленный из композитов, не обязательно будет легче металлического. Это зависит от характеристик корпуса, равно как и от используемого материала. Более важным преимуществом является возможность создания очень гладкой и сложно искривлённой аэродинамической поверхности, которая позволяет существенно снизить сопротивление воздуха. Композитные материалы не подвержены коррозии. Поэтому фюзеляж, изготовленный из композитов, выдерживает больший перепад давлений и влажность в кабине, чем это допускали воздушные суда предыдущих поколений. Ещё одним преимуществом композитов является хорошие эксплуатационные качества в изгибающей среде (например, при использовании в лопастях несущего винта вертолётов). Они не страдают от усталости металлов, трещинообразования и поэтому имеют более высокое нормативное время эксплуатации, чем металлические структуры. В силу этого большинство современных вертолётов имеют полностью композитные лопасти, а иногда и композитную втулку несущего винта.
Композитные конструкции имеют и характерные недостатки, к самым важным из которых относится отсутствие визуальных следов повреждения. Композиты реагируют на удар иначе, чем другие материалы и зачастую повреждения не заметны при внешнем осмотре.
В зависимости от силы удара характер повреждения условно разделяют на 3 категории:
Удар малой силы (например, при столкновении или падении инструмента) часто не оставляет видимых следов повреждения на поверхности. При этом в зоне удара может возникнуть широкая зона расслоения, которая распространяется воронкообразно от точки удара. Повреждения на задней поверхности структуры могут быть существенными и при этом совершенно невидимыми.
Удар средней силы приводит к локальным повреждениям поверхности, что видимо невооружённым глазом. Зона разрушения больше, чем повреждения на поверхности, и требует ремонта.
Удар высокой силы (например, удар птицы или градины в корпус самолёта во время полёта) приводит к появлению пробоины и значительному повреждению структуры.
Если удар вызвал расслоение, разрушение поверхности или пробоину, в обязательном порядке необходимо проведение ремонта. В ожидании ремонта повреждённая область должна быть накрыта и защищена от дождя. Пористый внутренний слой подвержен проникновению влаги, что позже может привести к серьёзным проблемам.
Ещё одним недостатком композитных материалов является относительно низкая термостойкость. Большинство смол начинают терять прочность при температурах выше 65°С. Для снижения температурного воздействия часто применяется окрашивание композитного корпуса в белый цвет. Производители композитных ВС часто дают конкретные рекомендации по допустимым цветам окраски корпуса. Композитные материалы также легко повреждаются различными растворителями, поэтому такими химикатами композиты обрабатывать нельзя. Для удаления краски с композитных деталей используются только механические методы, например, обдув металлическим порошком или пескоструйная обработка.
Наши основные медиаресурсы:
Telegram (главная платформа)
Boosty (эксклюзив)