Вторник, 28.03.2017, 01:27
Приветствую Вас Гость | RSS
Четырнадцатая олимпиада посвящена 100-летию выдающегося советского авиаконструктора Р.Е.Алексеева
QR-код сайта
Форма входа
...
Главное меню
ОБЩАЕМСЯ
Архив
...
Грант Президента
Поиск
Система Orphus
Главная » Статьи » Архив работ » Двенадцатая олимпиада (2014/15 уч.год)

Как и где в самолетостроении появились композиционные материалы
Сергеев Арсений
Как и где в самолетостроении появились композиционные материалы
 
План:


I. Введение
II. Что такое композиционные материалы
III. Начало применения композиционных материалов в самолетостроении
IV. Применение композиционных материалов на примере изготовления планера F1A
V. Заключение
VI. Список литературы

 

 

I. Введение

 

 

 

«Человек не имеет крыльев и по отношению веса своего тела к весу мускулов он в 72 раза слабее птицы. Но я думаю, что он полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума.»
Николай Егорович Жуковский

История самолетостроения начинается с деревянных конструкций, обтянутых тканью и покрытых защитной краской.

Стремление улучшить летные характеристики самолетов привело к использованию в авиации металлических конструкционных материалов (сталь, алюминий, титан, бериллий и их сплавы).

Технический прогресс в XX веке привел к созданию новых конструкционных материалов с высокой удельной прочностью и жесткостью, с неприсущими природным материалам свойствами. К таким новым материалам относятся композиционные материалы.

Занимаясь в объединении "Авиационное моделирование" ОГКОУ ДОД "Костромского областного центра детского (юношеского) технического творчества" с 2009 года, особое место я уделяю исследованию моделей планера класса "F1A" - это модель, не оснащенная собственной тягой, она находится в свободном полете и не управляется спортсменом. Считается, что именно этот класс и вид моделей породил весь авиамодельный спорт. На сегодняшний день этот вид моделей является очень развитым классом в авиамоделизме.

Из-за жестких правил технических ограничений, конструкторам моделей для достижения победы на соревнованиях приходится изобретать и применять новые конструктивные решения, использовать самые передовые материалы и технологии. Изучению особенностей строения, настройки планеров моделей этого класса и тренировочным запускам я и посвящаю свободное время.

Изучая материалы, особое внимание , на мой взгляд, следует уделить композиционным материалам.

Нынешний XXI век можно считать веком композиционных материалов, находящих применение в самых различных областях техники и быта. Но чтобы узнать развитие авиамоделизма в дальнейшем, необходимо знать историю и авиационного строения.

Исходя из этого, цель данной работы - изучить свойства композиционных материалов , а именно значение их при улучшении летательных характеристик модели.

Задачи данной работы:

1. Рассмотреть понятие "композиционные материалы", их развитие и области применения.

2. Ознакомиться с историей применения композиционных материалов в самолетостроении.

3. Рассмотреть применение композиционных материалов на примере изготовления планера F1A.

 

II. Что такое композиционные материалы

«Современный уровень развития техники вызывает необходимость создания новых материалов, обладающих особыми, не присущими природным материалам свойствами. К таким новым материалам относят композиционные материалы.»
Генеральный директор ООО УК «Рускомпозит» Андрей Сергеевич Никитин.[6]


Технический прогресс в XX веке привел к созданию новых конструкционных материалов с высокой удельной прочностью и жесткостью – композиционных материалов (КМ), или композитов.
Композиционные материалы представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом композиционные материалы позволяют эффективно использовать индивидуальные свойства составляющих композиции. По характеру структуры композиционные материалы подразделяются на волокнистые, упрочнённые непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами, дисперсноупрочнённые композиционные материалы, полученные путём введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей, слоистые композиционные материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов. Сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур также представляют собой композиционные материалы. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиционные материалы с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами. Композиционные материалы своим прообразом имеют широко известный железобетон, представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в 19 в. прокаткой слоистые материалы. Волокнистые композиционные материалы, армированные нитевидными кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов (SiC, Al2O3, бор, углерод и др.), являются новым классом материалов.
Однако принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555-1560 гг. при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты.
Развитие современных композиционных материалов
Успешному развитию современных композиционных материалов содействовали: разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой удельной прочностью (1940-50); открытие весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов (1950-60); разработка новых армирующих материалов - высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, Al2O3, SiC и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе металлов (1960-70).
Основные композиционные материалы
В технике широкое распространение получили волокнистые композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами, в которых армирующие элементы несут основную нагрузку, тогда как матрица передаёт напряжения волокнам. Волокнистые композиционные материалы, как правило, анизотропны. Механические свойства композиционных материалов определяются не только свойствами самих волокон, но и их ориентацией, объёмным содержанием, способностью матрицы передавать волокнам приложенную нагрузку и др. Диаметр непрерывных волокон углерода, бора, а также тугоплавких соединений (В4С, SiC и др.) обычно составляет 100-150 мкм.
Важнейшими технологическими методами изготовления композиционных материалов являются: пропитка армирующих волокон матричным материалом; формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой; холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием, электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием; осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатием; пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов; совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и другие.
Композиционные материалы в конструкциях, требующих наибольшего упрочнения, характеризуются расположением армирующих волокон по направлению приложенной нагрузки. Цилиндрические изделия и другие тела вращения (например, сосуды высокого давления), в основе которых лежат композиционные материалы, армируют волокнами, ориентируя их в продольном и поперечном направлениях. Увеличение прочности и надежности в работе цилиндрических корпусов, а также уменьшение их массы достигается внешним армированием узлов конструкций высокопрочными и высокомодульными волокнами, что позволяет повысить в 1,5-2 раза удельную конструктивную прочность корпусов из композиционных материалов по сравнению с цельнометаллическими корпусами.
Весьма перспективны композиционные материалы, армированные нитевидными кристаллами (усами) керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10-15 мм по длине.
Разрабатываются композиционные материалы со специальными свойствами, например, радиопрозрачные и радиопоглощающие материалы, композиционные материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, композиционные материалы с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие.
Области применения
Области применения композиционных материалов многочисленны; кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, композиционные материалы могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной промышленности - для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении - для корпусов и деталей машин; в химической промышленности - для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.

Итак, композиционный материал - конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.
Композиционные материалы постепенно занимают все большее место в нашей жизни. Области применения композиционных материалов многочисленны. Кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной и горнорудной, металлургической промышленности, в строительстве и т.д. Диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного. Можно с уверенностью сказать, что это материалы будущего.

 

 

 

III. Начало применения композиционных материалов в самолетостроении


Самолет - летательный аппарат тяжелее воздуха для полетов в атмосфере с помощью силовой установки и крыльев.
Различают:

 

 

 

  • По назначению – гражданские, военные;
  • По типу двигателя – поршневые, турбовинтовые, турбореактивные, ракетные;
  • По скорости полета – дозвуковые, сверхзвуковые, гиперзвуковые;
  • По условиям базирования – сухопутные, корабельные, гидросамолеты, самолеты-амфибии;
  • По длине взлетно-посадочной полосы – вертикальные, укороченные, обычного взлета и посадки;
  • По достигнутой стадии разработки – экспериментальные, опытные, серийные.
    Авиация – (от латинского avis – птица) – теория и практика полетов на аппаратах тяжелее воздуха (самолетах, вертолетах, планёрах) в околоземном воздушном пространстве.
    Краткая история становления самолетостроения
    Первый самолет был построен в России Александром Федоровичем Можайским в 1883 году.


    Самолёт Можайского, рисунок из книги «Воздухоплавание за 100 лет» (1884 год).

    Модель самолёта А. Ф. Можайского. Государственный Политехнический музей (г.Москва).

    Практически авиация стала развиваться в начале 20 века.
    Первый успешный полет самолета американских механиков братьев Уилбур и Орвил Райт с двигателем внутреннего сгорания был совершен 17 декабря 1903 года.


    Первый полёт Флайера-1 17 декабря 1903 года, пилотирует Орвилл, Уилбер — на земле. Фотография Джона Т. Дэниелса со спасательной станции Килл Дэвил Хиллс, использован фотоаппарат Орвилла на треножнике.

    Вслед за этим в Европе, главным образом во Франции, строят самолеты Альберто Сантос-Дюмон, Фердинанд Фербер и другие.


    Полёт 12 ноября 1906 года. Самолет А. Сантос-Дюмона.

    Первый широко известный самолет фирмы Societe Anonyme Antoinette, основанная в мае 1906 года Л. Левассером и капитаном
    Ф. Фербером. Четвертая модель, построенная в ноябре 1908 год.


    В России в 1909-1914 годах появились самолеты Якова Модестовича Гаккеля, Дмитрия Павловича Григоровича, Игоря Ивановича Сикорского и других.


    «Гаккель-VII» — 504 кг, двигатель «Аргус» 80-100 л. с. В июле 1911 года лётчик Г. В. Алехнович совершил перелёт на этом самолёте по маршруту «Петербург — Царское Село — Петербург», со скоростью 92 км/ч;

    М-5 — летающая лодка конструкции Д. П. Григоровича. Прототип был собран в апреле 1915 года, а в мае на Крестовском острове в Санкт-Петербурге лётчик Я. И. Седов-Серов совершил на нём первые полёты.

    «Ру́сский ви́тязь»(С-21 «Большой Русско-Балтийский») — первый в мире четырёхмоторный самолёт, дал начало тяжёлой авиации. Создан И. И. Сикорским в качестве опытного самолёта для стратегической разведки. Предусматривалось размещение как двух, так и четырёх моторов.

    Илья Муромец (С-22 «Илья Муромец») — общее название нескольких серий четырёхмоторных цельнодеревянных бипланов, выпускавшихся в России на Русско-Балтийском вагонном заводе в течение 1913—1918 гг.

    С середины 20-ых годов в самолетостроении начали использовать дуралюмин, (первые советские цельнометаллические самолеты были построены Андреем Николаевичем Туполевым в 1924-1925 годах); к середине 30-ых годов произошел окончательный переход от биплана к моноплану. В конце 30-ых годов появился реактивный двигатель. В СССР первый полет на самолете с жидкостным реактивным двигателем был совершен в 1942 году. С начала 50-ых годов реактивные самолеты стали использовать и в гражданской авиации (в СССР ТУ-104, 1955 год), широко развивалось вертолетостроение, в ВВС появились сверхзвуковые самолеты.[4]
    Начало применения композиционных материалов в самолетостроении
    История самолетостроения начинается с деревянных конструкций, покрытых краской. Далее развитие технологии позволило делать сварные металлические конструкции, а впоследствии алюминиевые. По мере того как внедрялись все новые типы конструкций, улучшался дизайн, эргономика и прочность самолета, композиционные материалы приобретали популярность. Конструкция из композиционного материала – это еще один шаг вперед для авиации. Огромное количество деталей конструкции самолета изготавливались и продолжают изготавливаться из стекловолокна. Конечно, сейчас мы можем найти самолеты, которые практически полностью изготовлены из стекловолокна. Технологии композиционных материалов безвозвратно изменили авиационную индустрию.
    Появившиеся в тридцатых годах прошлого века стеклопластики сразу привлекли внимание самолётостроителей, причём вначале они применялись для изготовления формообразующей оснастки. Компания Douglas Aircraft первой использовала стеклопластики на фенольном связующем для производства штампов, на которых быстро и дешево получала опытные образцы металлических деталей методом гидропрессования.
    Стеклопластик успешно применялся для стапелей, пространственных кондукторов и других технологических приспособлений, необходимых для точной сборки сложных крупногабаритных деталей самолётов. Вскоре начали широко внедряться ненасыщенные полиэфиры, а перед Второй мировой войной появились и первые эпоксидные смолы, проторившие композитам дорогу в облака. Начало войны подтолкнуло разработки по применению композитов в самолётостроении. Например, стеклопластиковые обтекатели позволили снизить вес лёгкого бомбардировщика Douglas А-20, а бумажно-слоистый композит значительно упростил изготовление коробчатого шпангоута крыла тренировочного моноплана PT-19.


    Моноплан РТ-19

    В 1942 году по решению правительства США на авиабазе Wright Patterson началось широкое изучение композиционных материалов для применения в авиации. В 1944 г. там прошел аэродинамические испытания стеклопластиковый фюзеляж, а позже были изготовлены шесть пар композитных крыльев для тренировочных самолётов AT-6 и BT-15, которые показали отличные лётные качества.

    AT-6
    BT-15

    Именно в годы войны были разработаны такие прогрессивные технологии формования, как намотка и напыление, появились препреги и сотовые наполнители. Спрос на эти работы формировался государственным заказом, который стимулировал частные компании к проведению инновационных разработок в области новейших технологий и материалов, что оказалось весьма эффективным для становления отрасли композитов и самолётостроения.
    С начала пятидесятых стеклопластики всё шире применяются для изготовления рулей, закрылков и различных обтекателей. Но композиты пригодились не только для деталей планера: оказалось, что из стеклопластиков получаются превосходные каналы и трубопроводы самой сложной конфигурации. После войны тысячи небольших фирм стали активно заниматься конверсией авиационных технологий в гражданском секторе: в 1947 году появился первый стеклопластиковый автомобиль, а к 1948 году количество композитных катеров и яхт исчислялось многими тысячами. Энтузиасты композитов порой создавали настоящие технические шедевры. Компания Convair Aircraft построила первый летающий автомобиль, корпус и съёмное оперение которого были изготовлены из стеклопластика.


    Первый летающий автомобиль

    Опытный образец поднялся в воздух 1 ноября 1947 года, но смелым планам дать тысячам отставных военных пилотов возможность летать на собственной машине не суждено оказалось сбыться.
    В конце сороковых были разработаны новые технологии формования – вакуумный мешок, пултрузия, а также отлажена намотка крупногабаритных изделий, сыгравшая значительную роль в гонке ракетных вооружений. В 1961 году было получено первое углеродное волокно, и спустя десятилетие стоимость килограмма волокна снизилась в десятки раз.
    В середине 50-х годов ВВС США решили применить в авиастроении новый класс материалов — армированные композиционные материалы. Предстояло изучить возможности их изготовления на основе новых видов волокон с высокими прочностными и упругими характеристиками. Практическое производство борных и углеродных волокон обусловило возможность создания композиционных материалов на их основе. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и ВВС США явились кураторами исследовательской и технологических программ. Реализация этих разработок позволила с начала 70-х годов начать широкое применение композитов для производства летательных аппаратов.

    В 1967 году взлетел первый самолёт с целиком изготовленным из композитов планером – четырехместный Windecker Eagle, который сразу превзошёл в скорости машины своего класса – Cessna 210 и Bonanza V-35.


    Четырехместный Windecker Eagle

    Через двадцать лет беспосадочный кругосветный перелёт совершил построенный энтузиастами в единственном экземпляре Voyager, углепластиковый планер которого весил всего 450 кг. Конструктор Б. Рутан.


    Углепластиковый планер Voyager. Конструктор - Бёрт Рутан

    В семидесятых начался промышленный выпуск кевлара и появились авиационные органопластики, а перехватчик Grumman F-14A положил начало применению боропластиков в самолётостроении. Так и росло композитное древо – могучие корпорации выпускали новые материалы, государство поддерживало развитие инновационных технологий, а тысячи энергичных частных компаний быстро находили возможности применения и того, и другого.[3]
    В конце 70-х годов прошлого века была разработана ОТР «ОКА», корпус которой был изготовлен из композитного материала. При изготовлении ракет класса воздух-поверхность в качестве теплозащитного покрытия (ТЭП) в соплах ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) используют композитный материал типа АГ4-В – это стекловолокно, пропитанное фенолформальдегидной смолой. Теплопроводность этого материала небольшая, при соприкосновении с высокотемпературными газами идет пиролиз, на который тратится много энергии, поэтому прогара в критической зоне сопла не происходит.
     
    IV. Применение композитов на примере изготовления планера F1A

    Использование композиционных материалов в авиации в прошлые времена ограничивалось изготовлением декоративных деталей внутренней отделки салонов самолета, неответственных деталей обшивки крыла. Не несущих деталей конструкции. Но в наше время всё сильно изменилось. Теперь композиты используются не как вспомогательные материалы, а используются как основной конструкционный материал для изготовления силовых элементов конструкции планера самолета. Доля композиционных материалов в конструкции планера самолета доходит до 50% массы. В основном используется углепластики (карбон) органопластики (кевлар, СВМ) и стеклопластики.
    В качестве наиболее часто встречающихся материалов для армирования композитов используются волокна, тканные материалы или пленки, изготовленные из углерода, арамида или стекла.
    Для производства высококачественных композитов в качестве связующих используются эпоксидные, фенольные и полиэфирные смолы.
    Изготовление высокопрочных композитов производится из углеродных волокон. Такое волокно чаще всего изготавливается путем воздействия высоких температур на нити из полиакрилонитрила. При этом после формирования углепластика получаются материалы с очень высокими удельными характеристиками. Так например модуль упругости углепластиков превышает модуль упругости стали в 1,5 раза. Предел прочности на разрыв может быть больше 200 кг/мм², а удельная плотность находится в пределах 1,7÷1,45 г/см³, у стали плотность 7,85 г/см³. Органопластики (СВМ) имеют плотность 1,25 г/см³, а прочность реализованную в реальных конструкциях больше 45 кг/мм². Прочность лучших алюминиевых сплавов меньше или равно 48 кг/мм², а плотность равна 2,85 г/см³. Таким образом, удельная прочность композиционных материалов гораздо выше стали и алюминия.
    Но несмотря на столь высокие характеристики использование композитов в авиации идет довольно медленно. Это прежде всего связано со специфическими свойствами этих материалов. Так эпоксидная смола не очень хорошо выдерживает атмосферные осадки. Значит необходима защита от влаги. Углепластики, имея очень высокий модуль упругости, хорошо передают вибрацию, а органопластики наоборот — гасят упругие колебания. Поэтому от конструктора зависит где, какой материал применять. Зная свойства материалов можно создать высокопрочную и легкую конструкцию самолета.
    Рассмотрим применение композитов на примере изготовления авиационной спортивной модели планера F1A. Тем более, что габариты модели планера F1A соизмеримы с беспилотными летательными аппаратами, изготавливаемыми нашей авиационной промышленностью.



    Модель планера F1A должна соответствовать требованиям FAI:
    1.Общая несущая площадь должна быть 32-34 дм².
    2.Масса модели должна быть не менее 410 г.
    3.Длина леера на котором затягивается планер — 50 м max.

    Рассмотрим полет планера при выступлении на соревнованиях.
    Участник с помощью леера затягивает планер на определенную высоту, после чего планер отцепляется от леера и начинает свободный полет. Суть соревнований в том, что, кто больше продержится в воздухе, тот и победитель. Длина леера у всех одинаковая, проверяется перед стартом под нагрузкой в 5 кг. Нагрузка на несущую поверхность одинаковая, результат полета зависит от качества самого планера и высоты, на которую может подняться планер во время затяжки на леере. Для того чтобы увеличить продолжительность полета предлагается при отцепке от леера планер разгонять до больших скоростей, а после отцепки переводить его на траекторию набора высоты.
    Для этого спроектирован специальный механизм, состоящий из программного механизма и крючка, позволяющего разгонять планер до нужной скорости.



    Таким образом был разработан алгоритм запуска планера:
    1.Планер поднимается на высоту 50 м (длина леера)
    2.После этого начинается движение по образующей сферы радиусом 50 м (длина леера), при этом скорость самого планера будет равна ω·RK, где ω — угловая скорость (1 круг — 5 сек = 1/5∙2π = 6,28/5),
    RK — радиус круга движения планера по образующей сферы
    R50 ≈ 10 м
    Vпл. по сфере = 12,56 м/сек
    1.Участник начинает бежать с леером со скоростью V = 7/8 м/сек (с большей скоростью бежать по пересеченной местности невозможно)
    2.В момент, когда планер находится в верхней точке, делается рывок леера, раскрывается защелка крючка (усилие раскрытия = 7,5 кг) и планер, получив дополнительное ускорение, начинает свободный полет.
    При этом программный механизм переводит, за счет изменения углов атаки, планер в набор высоты.
    За время набора высоты скорость планера уменьшается и когда она достигнет скорости планирования планера под действием силы тяжести, программный механизм переводит планер в планирующий полет.
    Таким образом, имея первоначальную высоту 50 м (длина леера), планер за счет динамического старта получает дополнительный прирост высоты, а соответственно и времени полета.
    Из аэродинамики известно:
    Fподъемная сила = ρV2∙CyS/2 , 
     где F – подъемная сила
    ρ – плотность воздуха                                             
    V — скорость полета
    S — площадь несущих поверхностей                  
    Cy — коэффициент подъемной силы
    Cy — зависит от профиля крыла и для ламинарных профилей, используемых для планеров F1A Cy≈0,5 при этом 
    Cx — коэффициент сопротивления ≈ 0,007, что позволяет его исключить из расчета высоты полета из — за малых значений сопротивления. 
    Vпол. = 4√p/Cy                                
    где p – удельная нагрузка на несущие поверхности
    Vпол. = 6,2 м/сек — скорость полета модели планера при планировании
    Cx = Cxp + Cxi  - коэффициент полного сопротивления
    Cxp — коэффициент профильного сопротивления 
    Cxi — коэффициент индуктивного сопротивления
    Cxi = Cy2/πʎ
    ʎ – удлинение крыла
    ʎ = L2/Sкр
    L — размах крыла
    Sкр — площадь крыла
    При использовании для профиля крыла планера турбулентных профилей коэффициент Cy которых больше 1, то и индуктивное сопротивление было большим. Использование ламинарных профилей позволило уменьшить размах крыла, а, следовательно, увеличилась прочность крыла на изгиб и дало возможность исключить из расчета высоты индуктивное сопротивление, так как набор высоты происходит за счет кинетической энергии, а подъемная сила крыла ≈ 0 — взлет вертикальный.
    Кинетическая энергия взлета планера
    Е = mVвз2/2 — mVпол2/2 = mqH
    равна потенциальной энергии планера на высоте взлета
    Vвз = Vпл. пол. по сфере на леере + Vскор + Vскор  рыв.    
    (atрыв) = Vскор  рыв.    
    a — ускорение рывка     
    amin рыв. = F/m
    F — усиление раскрытия защелки                 
    F = 7,5 кгс = 73,5 H
    t — время рывка
    t = 0,04 сек
    Vскор  рыв. = 7,17 м/сек
    Vвзл  = 27,73 м/сек
    Зная взлетную скорость Vвзл , можно определить высоту, на которую может взлететь планер после отцепки от леера.
    Но это не полная высота, ведь планер находился у нас на леере, а длина леера 50 м. Реально, в момент отцепки, планер находится на высоте 44 — 45 м из-за угла наклона под которым леер находится к земле.
    Итак, полная высота на которую может взлететь модель планера составляет 82,27 м. 
    Возникает вопрос, а причем здесь композиты?
    Ранее все модели и не только модели изготавливали из дерева, потом в больших самолетах основным конструкционным материалом стал металл (сталь и алюминий), а модели как делали из дерева так и продолжали делать. В 60-е годы в СССР появилось дерево-бальза, которое произрастает в Южной Америке (Эквадор), удельная прочность бальзы удовлетворяла все запросы авиамоделистов (удельная плотность бальзы составляет 0,05г/см3 – 0,2г/см3, а прочность приближается к прочности липы). Технологические возможности использования бальзы были очень хорошие: она легко обрабатывалась и хорошо склеивалась.
    Металл в авиамоделях ранее мало использовался из-за технологических сложностей. Но в процессе изготовления моделей наступил такой момент, что прочность деревянных моделей перестала удовлетворять предъявляемые к ним требования. 
    Рассмотрим на примере планера силы, действующие на модель в полете. Почти все нагрузки в полете действуют на крыло.
    Рассмотрим крыло, как балку с распределенной нагрузкой.
    qL=P
    L=2 м -размах крыла
    q – распределенная нагрузка
    P – усилие расцепки леера = 7,5кг = 73,5н
    Мкр.max = PL/8 = 1,875 кгм = 1875 кгмм
    Силовым элементом крыла является лонжерон, он воспринимает силовые нагрузки, появляющиеся в полете,
     
    δиз.=Мкр./W – допускаемое напряжение на изгиб
    W – момент сопротивления
    W – зависит от геометрии поперечного сечения лонжерона. В нашем случае – лонжерон двухполочный и имеет сечение, указанное на чертеже.
     
     Тогда 
       Wх=В/6Н [Н3-(Н-2Т)3]
     
      
    Исходя из строительной высоты профиля крыла и необходимости соединения консолей крыла, с помощью стального высокопрочного штыря имеем
    В=10мм
    Н=10мм
    Т=1мм
    Wх = 81,3 мм3
    δиз.= 23кг/мм2
    δиз – для лучших сортов дерева допускается ≤8,5 кг/мм2
    Лонжерон, изготовленный из дерева, сломается при старте планера.
    δиз углепластика ≈ 100 кг/мм2 (точных данных нет)
    Лонжерон из углепластика выдержит возникающие нагрузки при старте планера с большим запасом, но в данном случае критическим является соединение консолей с помощью стального штыря. Из конструктивных соображений диаметр штыря = 7,5 мм, тогда W = 42,18мм3
    δиз.шт = 44,45 кг/мм2
    [δиз.]=62 кг/ мм2 – для стали 50ХФА
    Стальной штырь из высокопрочной легированной стали выдержит нагрузки, возникающие при старте планера с небольшим запасом. На соревнованиях были случаи, когда подобные штыри разрушались от приложенных нагрузок. Сейчас есть тенденция использовать штырь из углепластика.
    Теперь посмотрим, что бы было при изготовлении модели планера по деревянно – текстильной» технологии. По этой технологии изготавливаем самолеты в начале эры авиации.
    δиз.шт = 6,5 кг/мм2 – допускаемые напряжения сосны на изгиб.
    Wх = 81,3 мм3 – момент сопротивления лонжерона на изгиб.
    Мкр. = δиз  Wх = 528,45 кг/мм –допускаемый момент, который выдержит сосновый лонжерон.
    Вычислим усилие, которое выдержит лонжерон.
    P = Мкр.8/ L = 2,11 кг – это будет равно подъемной силе.
    P = qV2/2SСy, откуда скорость полёта
    Vпол. = 14,1 м/сек.
    Тогда определим прибавку при старте 
    mV2/2 = mgH
    H = V2/2g = 10,14 м
    При использовании в конструкции сосновых лонжеронов прибавка высоты может быть не более 10 м. это исходя из прочностных характеристик деревянных лонжеронов. При использовании лонжеронов из углепластика прибавка высоты может быть до 27 м, т.к. углепластик допускает более высокие удельные нагрузки. При этом разрушения конструкции не происходит. Использование других конструкционных материалов приводит или к разрушению конструкции – при возникновении в полете нагрузки, или к перетяжелению конструкции.
    Реальная прибавка высоты деревянных конструкций еще меньше, так как должен быть и запас прочности при возникновении экстримальных ситуаций, связанных с турбулентностью атмосферы и порывами ветра. Прибавка высоты таких моделей составляет 6 – 7 м., прибавка высоты углепластиковых моделей лучших спортсменов страны доходит до 30 м. Таким образом, высота взлета углепластиковой модели планера F1A при длине леера 50 м. составляет около 100 м., что резко повышает результаты выступлений на соревнованиях.
    При полете планера на крыло действуют не только изгибающие нагрузки, но и крутильные, которые создают низкочастотные колебания типа флаттера приводящие к разрушению крыла.
    Конструкция крыла состоит из продольных и поперечных элементов. К продольным элементам относятся передняя и задняя кромка и лонжерон. К поперечным элементам относятся нервюры и законцовки.  Для того чтобы увеличить прочность крыла на кручение, на переднюю часть профиля крыла (≈25% хорды) устанавливается углепластиковый кессон,
      
    изготовленный из углеткани. Волокна углеткани располагаются под углом 450 к продольной оси крыла. Кессон на эпоксидной смоле приклеивается к нервюрам и лонжерону, получается очень жесткая, коробчатая конструкция из-за высокого модуля упругости углеволокна и расположения волокон под углом 450 к продольной оси. Хвостики нервюр, изготовленные из бальзы, приклеиваются к задней кромке крыла, которая также изготовлена из углепластика.
    На верхнюю и нижнюю поверхность нервюр наклеиваются накладки из углепластика сечением 3 х 0,2 мм с нахлестом на кессон и заднюю кромку.
    Получается очень прочная конструкция. Итак, для изготовления крыла использованы нервюры из бальзы, а всё остальное изготовлено из углепластика. Для склейки лучше всего использовать клей ВК-9 (без наполнителя) или смолу ЭЛАТ-187(167) с отвердителем. Клей ВК-9 имеет лучшую адгезию, но надо всегда иметь свежий компонент ПО-300.
    Рассмотрим технологию изготовления кессона. Для изготовления кессона используется углеткань саржевого переплетения толщиной 0,2 мм. Формовка производится на металлических отправках (алюминиевых) повторяющих профиль носовой части крыла с учетом толщины углеткани. 
     
    Оправки разные для центроплана и ушей. В качестве разделительного слоя используется фторопластовая лента Ф4 толщиной 0,02 мм. Волокна углеткани располагаются под углом 45◦ к продольной оси оправки. Пропитка углеткани смолой производится при помощи резиновых валиков от старой стиральной машины (для равномерности) и равномерно укладывается на оправку через разделительный слой. После этого на углеткань накладывается фальш-кессон также через разделительный слой и обматывается сверху изолентой «ЛЕТСАР». Фальш-кессон изготовлен из трех слоев стеклоткани δ=0,1-0,15 мм на этой же оправке и служит для равномерного обжатия кессона из углеткани.
     
    После этого весь этот слоеный пирог укладывается в мешок из прорезиненной перкали, из которого откачивается воздух для лучшего обжатия кессона на оправке. Затем мешок укладывается в автоклав с температурой 80-1000 С. Процесс формирования происходит в течение 1,5-2 часов и зависит от типа используемой смолы. После чего мешок извлекается из автоклава и охлаждается. Кессон снимается с оправки и подгоняется по размерам с помощью режущего инструмента.
    Для изготовления лонжеронов используются пластины S=1мм отформованные из высокопрочной углеленты толщиной 0,13 мм. Формовка таких пластин производится на авиационных предприятиях на смоле горячего отверждения. Лонжероны до нужных размеров доводятся с помощью механической обработки.
    Изготовление корпуса фюзеляжа производится путем формования двух половинок корпуса из углеткани в пресс-форме, изготовленной из нескольких слоев стеклоткани по мастер-форме, повторяющей наружные размеры фюзеляжа планера.
    Пропитанная смолой углеткань выкладывается в пресс-форму через разделительный слой, нужное количество слоев, а после этого в герметичный мешок из которого выкачивается воздух и происходит отверждение смолы. За счет атмосферного давления все детали, которые были в пресс-форме хорошо отформировываются. Нужны две пресс-формы, правая и левая. После чего детали фюзеляжа обрабатываются механически и склеиваются.
    Хвостовая балка отформована на круглой металлической оправке. Она состоит из трех слоев. Первый слой выполнен из анодированной фольги Д16Т толщиной 0,03 мм, второй слой из углеленты толщиной 0,13 мм, пропитанной смолой, третий слой из фольги Д16Т. Обжатие производится с помощью резинового каттетора. Можно использовать и изоленту «ЛЕТСАР», она тянется и создает нужное давление и не разрушается до t=3000 С.
    Киль и стабилизатор модели выполнены аналогично крылу.
    На примере изготовления модели планера рассматриваются вопросы аэродинамики, механики полета, вопросы прочности элементов конструкции под действием возникающих нагрузок. Вопросы технологии изготовления деталей планера и применяемых композитных материалов.
    Таким образом, мы видим, что для изготовления модели планера F1A в основном использован углепластик и лишь на нервюры и законцовки использовано дерево бальза, которое по массе не превышает 5% массы планера.
    Применение углепластика позволило увеличить прочность планера, его живучесть. Улучшить летные характеристики за счет возможности эксплуатировать планер с большими перегрузками, а также результаты выступления на соревнованиях.
    Конечно, углепластики – очень прочный конструкционный материал, но у них есть и недостатки, например, хрупкость. Этот недостаток можно исправить, применив углеволокно совместно с органопластиками (СВМ, кевлар). Так, например, в резиномоторных моделях F1B в качестве силовой балки под резиномотор используется материал, сотканный из углеволокна и СВМ. При разрыве резиномотора (что случается на соревнованиях довольно часто) получается сильный удар о поверхность силовой трубки. Трубка из углепластика разваливается на мелкие кусочки, а трубка с использованием СВМ выдерживает все подобные удары.

Возникает вопрос, а причем здесь композиты?

Ранее все модели и не только модели изготавливали из дерева, потом в больших самолетах основным конструкционным материалом стал металл, а модели из дерева так и продолжали делать. в 60-е годы в СССР появилось дерево-бальза, которое произрастает в Южной Америке, удельная прочность бальзы удовлетворяла все запросы авиамоделистов.

Металл в авиамоделях ранее мало использовался из-за технологических сложностей. Но в процессе изготовления моделей наступил такой момент, что прочность деревянных моделей перестала удовлетворять предъявляемые к ним требования.

В настоящее время все больше композитов применяется не только в авиамоделизме, но и в большой авиации. Многие детали планера самолета Suhoi Super JET - 100 изготовлены из композитов. Детали обшивки перспективного истребителя ПАК ФА Т-50 также изготовлены из композитов. Это все, конечно, требует большого количества испытаний и отработки технологий.

Использование композитов в авиамоделизме позволяет отработать технологию изготовления деталей без больших материальных и трудовых затрат. Это было продемонстрировано авиамоделистами, работающими на заводе АВИАСТАРе в городе Ульяновске при внедрении в производство изготовления деталей из композитов.

 

IV.Заключение

Применение для изготовления авиационных и ракетных систем композиционных материалов позволило существенно повысить тактико-технические характеристики летательных аппаратов. Упростилась технология изготовления, теперь конструктор сам может проектировать свойства применяемых материалов.

За счет применения высокопрочных композиционных материалов (угле и органопластики) , вместо металлических конструкций, повысилась дальность, высота и скорость летательных аппаратов. На примере использования композитов при изготовлении модели планера F1A показано, как можно улучшить летные характеристики, а , следовательно, и результаты выступления на соревнованиях (третье место автора на первенстве России) . Используя композиты для обшивки летательного аппарата можно изменять радиолокационные характеристики самолета, что очень важно при изготовлении военной техники. Будущее за композитами!

V.Список литературы:

1. А.А. Болонкин /Теория полета летающих моделей. М.:ДОСААФ, 1962 год.

2. Э.П. Смирнов. /Как сконструировать и построить летающую модель. М.: ДОСААФ, 1973 год.

3. В.И. Анурьев. /Справочник конструктора - машиностроителя. М.: "Машиностроение", 1973 год.

4. Советский Энциклопедический Словарь, Москва 1988 год.

5. С.В. Мартовский, М.Ю. Ощепков. /Журнал "Composite 21 century" 2011, Май

6. http://www.ft-publishing.ru/upload/file/books/article_06.pdfИнтервью с Генеральным директором ООО УК "Рускомпозит" Андреем Сергеевичем Никитиным, к.э.н. "Перспективы применения композитных материалов".

Категория: Двенадцатая олимпиада (2014/15 уч.год) | Добавил: Service (19.12.2014) | Автор: Сергеев Арсений W
Просмотров: 1695 | Рейтинг: 4.4/5
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
ПРИЁМ ЗАЯВОК НА УЧАСТИЕ ЗАВЕРШЁН!
ТЕСТИРОВАНИЕ ЗАВЕРШЕНО!
ПРИЁМ РАБОТ ЗАВЕРШЁН!

Google+
Их многие читают
Щур Илья Андреевич (8282)
Бадакова Анастасия (5800)
Кузьминова Анастасия Олеговна (5641)
Чеховская Алена Алексеевна (4265)
Кошманов Илья Игоревич (3863)
Иванов Семен Владимирович (3666)
Беляева Александра Сергеевна (3608)
Ахметшин Тимур (3440)
Пушинская Кристина Валерьевна (3425)
Рафаэль (2932)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2017