Полимерные композиционные материалы заняли особую нишу наряду с легкими сплавами, используемыми в самолетостроении. ПКМ представляет собой армированные непрерывными высокопрочными волокнами полимерные матрицы. В ПКМ эффективно используются необычайно высокие механические свойства различных типов волокон – прочность, жесткость, которые позволяют получить материал конструкции с существенно более высокими удельными механическими характеристиками в сравнении с традиционными материалами. Основными особенностями и преимуществами ПКМ в сравнении с металлами являются их анизотропия и возможность формирования материала одновременно с проектированием изделия. Располагая в конструкции армирующие волокна, воспринимающие нагрузку в соответствии с заданной схемой нагружения, передаваемую полимерной матрицей, обеспечивающей совместную работу армирующих волокон, создается необходимый элемент конструкции, обладающий свойствами, строго соответствующими его назначению [1].

В последние годы значительно расширился объем применения композитов в конструкциях тяжелых транспортных и гражданских самолетов, в которых доля ПКМ составляет 10-25 %. В Европе фирма Airbus Industry с начала 2007 г. приступила к производству серии (150 шт.) двухпалубных пассажирских самолетов А-380 более чем на 500 мест. Новейший пассажирский самолет
Boeing 787 Dreamliner американской самолетостроительной корпорации Boeing начал эксплуатацию. Поступает заказчикам новейший транспортный самолет А-400.

Благодаря тому, что в этих самолетах доля композиционных материалов достигает

50 %, у них на 20%ниже расход топлива, по сравнению с самолетами предыдущего поколения, и эксплуатационные расходы также снижены на 10%. Разработчики также добились 20%-го сокращения эмиссии вредных газов и 60%-го уменьшения контура распространения шума в районе аэродрома.

Поэтому создание перспективного пассажирского самолета, имеющего конкурентные преимущества невозможно без широкого и грамотного применения в конструкции ПКМ [2].

1. Полимерные композиционные материалы в конструкциях перспективных гражданских самолетов (фюзеляж, крыло, оперение)

Выбор современных полимерных композиционных материалов в конструкциях планера перспективных гражданских самолетов является основным и возможно единственным, на данный момент, способом эффективного применение материалов в крупногабаритных авиационных конструкциях.

Эффективное применение включает в себя:

• Возможность изготовления конструкций, имеющих специфические аэродинамические обводы, что, в дальнейшем, повлияет на аэродинамику и окажет положительное влияние на топливную эффективность самолета;
  
• Варьируя ориентацией армирующего наполнителя, возможность получения конструкций, с требуемыми механическими характеристиками в заданном направлении;
  
• Снижение трудоемкости изготовления конструкций, приводящее к снижению себестоимости готового изделия;
  
• Снижение массы агрегатов за счет инновационных конструктивных решений, реализуемых только с применением полимерных композиционных материалов и за счет физических особенностей полимерных композиционных материалов, по сравнению с металлами, и как следствие, повышение топливной эффективности самолета;
• Увеличение КИМ, приводящее к снижению себестоимости изделия и уменьшению затрат, связанных с утилизации отходов производства.

В настоящий момент на предприятиях применяется широкий спектр полимерных композиционных материалов, отвечающих требованиям различных элементов конструкций крыла, фюзеляжа, оперения и агрегатов механизации.

Выбор наиболее подходящих полимерных композиционных материалов и соответствующих технологических процессов переработки для конкретных элементов конструкций крыла, фюзеляжа, оперения и агрегатов механизации позволит добиться оптимальной технологической и материальной эффективности при производстве [3].

Применение полимерных композиционных материалов для конструкций крыла, фюзеляжа, оперения и агрегатов механизации обусловлено требованиям к представленным элементам планера (Рисунок 1).

Рисунок 1. Членение планера с требуемым уровнем свойств ПКМ

На основании требования к конструкции планера, в Таблице 1 представлено соответствие характеристик углеродного волокна и полимерного композиционного материала на основе данного волокна. Данное соответствие позволяет разделить конструкции планера на первичные (primary) и вторичные (secondary) конструкции и дает представление о требуем классе волокна для производства изделий из ПКМ.

Сравнительная оценка характеристик полимерных композиционных материалов и металлических материалов представлена в таблице 2. По данным таблицы 2 видны основные преимущества композиционных материалов по прочностным, жесткостным характеристикам и плотности материалов, что позволяет добиться более жесткой и легкой конструкции элементов планера.

На основании анализа преимуществ полимерных композиционных материалов по отношению к самому широко применяемому в конструкции планера металлическому сплаву – алюминиевому сплаву (на примере 1933), представлена таблица 3, с определением преимущественных коэффициентов ПКМ. Для сравнения прочностные показатели ПКМ взяты для квазиизотропного ламината [0,+45,90,-45]_.

Таблица 3. Преимущественный коэффициент ПКМ – алюминиевый сплав

По результатам таблицы 3, преимущественный коэффициент применения ПКМ по сравнению с алюминиевым сплавом составляет для квазиизотропной укладки 1,57. Данный тип укладки активно применяется для равномерно нагруженных конструкциях планера и сотовых трехслойных панелей.

Для однонаправленной укладки преимущественный коэффициент составляет 3,47, однако данная укладка не применяется в конструкциях в чистом виде.

Для специальных укладок, позволяющих в большей степени реализовать преимущество ПКМ в конструкциях самолета, преимущественный коэффициент составляет 2,52. Данный коэффициент характеризует существенное преимущество применения ПКМ в конструкции планера гражданского самолета с точки зрения весовой и прочностной эффективности для материала.

На основании типового конструктивного членения крыла, фюзеляжа, оперения и агрегатов механизации (Рисунок 2), требований к прочностным характеристикам материалов и технологии изготовления изделий, представлена наиболее вероятная классификация материалов и технологий, возможных к применению в конструкции планера перспективного гражданского самолета (Таблица 4).

а

б

в

Рисунок 2. Типовое конструктивное членение агрегатов из ПКМ фюзеляжа (а), крыла (б) и оперения (в) гражданского самолета

Заключение

Применение полимерных композиционных материалов позволяет эффективно реализовать проектирование конструкции, добиваясь весовой и прочностной эффективности. Преимущественный коэффициент по отношению к алюминиевому сплаву в среднем 2,5. Данное преимущество дает в итоге:

• Получить конструкции с требуемыми механическими характеристиками в заданном направлении;
  
• Снизить массу конструкции, при прочих равных прочностных характеристиках, по сравнению с металлами;
• Повысить топливную эффективность конструкции при снижении массы изделий.

В дополнение, применение полимерных композиционных материалов позволяет получить следующие преимущества, обусловленные аэродинамическими параметрами и технологичностью:

• Изготовление конструкций, имеющих специфические аэродинамические обводы;
  
• Снижение трудоемкости изготовления конструкций, за счет единого цикла получения материала-конструкции;
  
• Снижение трудоемкости изготовления за счет автоматизации процесса выкладки сухого армирующего наполнителя, в случае изготовления изделия методом вакуумной инфузии;
  
• Снижение трудоемкости изготовления за счет автоматизации процесса выкладки сухого армирующего наполнителя с термопластичной матрицей, в случае изготовления изделия автоматизированной выкладки и консолидации;
  
• Снижение трудоемкости изготовления за счет сокращения цикла изготовления изделий методом термоформования;
  
• Увеличение КИМ, приводящее к снижению себестоимости изделия и уменьшению затрат, связанных с утилизации отходов производства. Снижение КИМ происходит за счет автоматизированного раскроя, выкладки и формирования материала – изделий за единый технологический цикл (отсутствие формообразующей металлообработки в случае применения металлических конструкций) [4].