Пятница, 28.07.2017, 07:32
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 » Работы 1-го тура » Готовые работы

Как и где появились композитные материалы и где они используются сейчас, каковы перспективы их применения?

Автор: Малахова Мария

Возраст: 15 лет.

Место учебы: Муниципальное Бюджетное Образовательное Учреждение Лицей Авиационного Профиля № 135.

Город, регион: Российская Федерация, Самарская область, г. Самара

Руководитель: Шацкая Людмила Александровна, МБОУ ЛАП № 135.

Историко-исследовательская работа " Как и где в самолетостроении впервые появились композиционные материалы, как и где они используются сегодня и каковы перспективы их применения?"

План:

Введение

1. История корпусостроения самолетов

2. Новый материал в самолетостроении

3. Разработки КМ во время СССР

4. Разработки композитных материалов за рубежом

5. Свойства композитных материалов

5.1. Классификация КМ по конструктивному признаку

5.2. Классификация КМ по материалу матрицы и наполнителя

6. Современные российские разработки

7. Работы в Самарской области

8. Перспективы применения композитных материалов

Заключение

Источники

Введение

Цель работы: показать актуальность применения и разработки новых композитных материалов для самолетостроения.

Задачи: 1) Изучить историю применения различных материалов в самолетостроении.

              2) Рассмотреть плюсы и минусы различных материалов.

              3) Разобраться с понятием “композитный материал” и как влияет состав и структура этого материала на его свойства.

              4) Найти примеры разработок композитных материалов для авиации в России и за рубежом.

             5) На основании проведенного исследования сделать вывод о перспективе применения КМ в самолетостроении.

В данной работе я бы хотела познакомить вас с композиционными материалами (КМ). Применением их в авиастроении в настоящем времени и перспективами их применения в дальнейшем. Композиционные материалы особенно актуальны в наше время благодаря полезным свойствам: сверхлёгкости и сверхпрочности. Они применяются во многих сферах деятельности, таких как авиастроение, автомобилестроение, судостроение, ракетостроение. Рассмотрим это подробней.

1. История корпусостроения самолетов

Проблема снижения веса конструкции воздушного судна (ВС) при сохранении его достаточной прочности и жесткости является центральной во всей авиастроительной отрасли. Опыт развития мировой авиации показал, что снижение массы планера за счет разработки и применения более легких металлических сплавов на основе алюминия полностью исчерпало себя, и на смену “традиционным” материалам пришли принципиально новые – композиционные (КМ). Их новизна проявляется во всем: в свойствах, способах изготовления, методах ремонта, контроля за состоянием.

Первые самолеты изготавливались из дерева, а фюзеляж и крылья обтягивались тканью. Такие "матерчатые" самолеты не выдерживали значительных скоростных и температурных нагрузок, нужны были более прочные материалы.  Наиболее подходящим материалом  являлся металл.

Идея строить самолеты из алюминия возникла в Германии. Там же появились первые сплавы, дуралюмины. Подобный сплав был создан и у нас в стране в середине 20-х годов. Он получил марку Д-1 - это сплав алюминия с медью и небольшим количеством магния.

В 1932 году академик А. А. Бочвар разработал теорию рекристаллизации алюминиевых сплавов, которая легла в основу создания легких сплавов. В середине 50-х годов введение в систему алюминий - медь цинка и магния позволило резко увеличить прочность материала. Так возник сплав В-95, обладающий прочностью 550-580 МПа.

Увеличение эксплуатационного ресурса самолетов всегда оставалось и остается задачей номер один. Добиться еще большей надежности и долговечности материалов можно, изменив структуру металла - "измельчив зерно". Для этого в сплавы начали вводить небольшие количества (до 0,1%) циркония.

Новый класс  сплавов пониженной плотности, содержащих литий, создал академик И. Н. Фридляндер со своими учениками еще в 60-х годах - на четверть века раньше, чем где-либо в мире.

Титан, как и алюминий, тоже имеет право называться небесным или крылатым металлом. Сейчас доля титановых сплавов в самолете в зависимости от его типа и назначения колеблется от 4 до 12%. Высокопрочные сплавы из титана, например ВТ-22, более четверти века используются для изготовления сварных шасси Ил-76 и Ил-86.

Высокой усталостной прочностью и уникальной акустической выносливостью обладают алюминиево-бериллиевые сплавы (их называют АБМ). Первый самолет с использованием такого сплава построил конструктор П. В. Цыбин.

В начале 80-ых годов начались работы по созданию принципиально новых материалов для самолетостроения – композиционных.

2. Новый материал в самолетостроении

Композиционный материал - это искусственный многокомпонентный материал, состоящий из пластичной основы, называемой матрицей и наполнителя - армирующего элемента. Этот наполнитель обеспечивает необходимые механические характеристики, а матрица отвечает за совместную работу армирующих элементов и обеспечивает защиту от повреждений и химических воздействий. В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется композиция, обладающая новым набором характеристик, которыми изолированные компоненты не обладали. Например, наблюдается повышение прочности или пластичности, а так же повышается стойкость к появлению трещин.

Применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в авиастроении наиболее развитых стран началось в 40-х годах прошлого столетия. Впервые стеклопластики были использованы для изготовления радиопрозрачных обтекателей для военных самолетов. Затем к концу 60-х – началу 70-х годов применение стеклопластиков на основе тканых наполнителей и эпоксидных смол расширилось не только на изготовление малоответственных деталей, но и на элементы и агрегаты ряда несущих конструкций небольших летательных аппаратов (ЛА) и двигателей.

Применение КМ в конструкции летательных аппаратов началось с начала ХХ в. Первым из композитов в конструкции летательных аппаратов можно по праву считать фанеру. И.И. Сикорский использовал фанеру в качестве обшивки гондолы для размещения пилота и двигателя на самолете-биплане С-6 (1911 г.)

В СССР первые КМ в виде слоистых композиций были созданы в ВИАМе (середина 30-х гг. прошлого века) под руководством Я.Д. Аврасина, использовался шпон карельской березы, скрепленный органическим клеем (дельта-древесина). Материал обладал высокой прочностью, негорючестью и живучестью. Первым самолетом с широким использованием дельта-древесины в конструкции стал истребитель ЛаГГ-1 (1940 г.).

С появлением стеклопластика на основе полиэфирной смолы (30% смолы, 70% волокон, Карлтон Эллис, 1936 г. Великобритания), позволяющего применять его для формообразования различных сложных поверхностей, начался этап бурного развития КМ и их использования в военной и малой авиации.

В 1938 г. компания Douglas Aircraft применила стеклопластик для изготовления обтекателей в конструкции бомбардировщика Douglas A-20 Havoc. В 1964 г. первый полностью стеклопластиковый планер под названием H-301 Libelle («Dragonly») получил немецкий и американский сертификат типа. Этот планер мог оставаться в воздухе длительное время без использования двигательной силы, лишь за счет планирования по воздуху.

3. Разработки КМ во время СССР

В СССР долгое время предпочтение отдавалось более консервативному подходу в части выбора материалов при изготовлении ВС, и поэтому темпы использования композитов в конструкции советских боевых самолетов отставали от зарубежных. Однако научные исследования в области КМ и технологий велись очень активно.

В конструкции МиГ-29 (1977 г.) из углепластика КМУ-4 изготовлено 12 деталей – отсеки каналов воздухозаборника, панели киля, обшивки законцовок крыла, обтекатели и др. Общая масса КМ в конструкции около 200 кг. Более широко использованы к КМ конструкции на самолете МиГ-29М (1986 г.)

В СССР первым самолетом, в котором масштабно применены КМ, стал учебно-пилотажный самолет ОКБ им. П.О. Сухого Су-26М (1984 г.). Обшивка этого самолета выполнена в виде панелей из композита с сотовым наполнителем (рис. 1). Каркас крыла сделан из КМ на основе угле- и органопластиков, панели обшивки крыла – из композита с сотовым наполнителем. Балки хвостового оперения, обшивки киля и элементов механизации крыла – также из композита. Общий объем композитов по весу составил более 50% от веса самолета. Аналогичную конструкцию имеет самолет СУ-29 (1991г.), отличие от Су-26 появление “черного крыла” из КМ. В 1992 был выпущен СУ-31, где доля КМ в конструкции планера составила уже 70%.

Рис. 1 Применение КМ на самолета Су-26, Су-29, Су-31

АНТК им. О.К. Антонова. Первенство по началу применения КМ в конструкции ВС в СССР принадлежит АНТК им. О.К. Антонова. Прослеживается увеличение доли применения КМ в конструкциях самолетов типа Ан: от 1–2% от веса планера в самолетах Ан-26 до 20% в самолете Ан-70 (рис. 2). Из КМ выполнены почти все агрегаты механизации крыла.

Если в начале 70-х годов в СССР было некоторое отставание в указанной области, то к  1977-1988 годам это отставание было практически преодолено. Лидером здесь является средний транспортный самолет Ан-70. Успешный выход на указанный уровень был обеспечен предшествующими работами по самолетам Ан-28, Ан-72, Ан-124 и др.

Рис. 2 Динамика изменения доли КМ в конструкции самолетов типа Ан

ОАО «Ил». На самолете Ил-86 (1976 г.) в конструкции также применили материалы из стекло- и углепластиков для агрегатов пассажирской кабины и панелей пола (использование сочетаний стекло- и углепластиков для панелей пола позволило добиться снижения веса широкофюзеляжного самолета на 400 кг (площадь пола 350 м2). В самолете Ил-96 (рис. 3), масса КМ составила 1650 кг, снижение массы на 520 кг. Впервые в отечественной практике в конструкции Ил 96-300 из композитов выполнены элементы механизации крыла.

Рис. 3 Применение КМ на Ил-96

1 – крышка люков, 2 – напорная створка ВСУ, 3 – створки отсека ВСУ, 4 – панели пола, 5 – внутренняя отделка, интерьер, 6 – створки передней опоры шасси, 7 – створки средней опоры шасси, 8 – створки основной опоры шасси, 9 – зализ стабилизатора с фюзеляжем, 10 – панели хвостовой части (верх и низ), 11 – панели носовой части (низ), 12 – тормозные щитки, 13 – элероны наружные и внутренние, 14 – основное звено закрылка, 15 – хвостовое звено закрылка, 16 – панели носовой части киля, 17 – панели хвостовой части киля, 18 – верхний обтекатель киля, 19 – панели хвостовой части стабилизаторов, 20 – хвостовая часть пилонов, 21 – носовая часть мотогондол, 22 – канал воздухозаборника, 23 – створки мотогондол, 24 – канал ВСУ, 25 – зализ крыла с фюзеляжем, 26 – интерцепторы, 27 – панели носовой части стабилизатора, 28 – руль направления, 29 – руль высоты, 30 – кессон киля, 31 – кессон стабилизатора.

4. Разработки композитных материалов за рубежом

В период 1950–1960-х гг. ВВС США стали активно разрабатывать и внедрять в авиастроение новые КМ, армированные борными, углеродными и синтетическими волокнами (типа Кевлар). Реализация этих разработок привела к началу промышленного выпуска Кевлара, появлению авиационных боропластиков, углепластиков, органопластиков и позволила с начала 1970-х гг. начать широкое применение композитов для производства ВС, и в первую очередь ВС военного  назначения.

Lockheed. В 1970 г. состоялся первый полет самолета LockheedL-1011-1 Tristar. В его конструкции использовались углеэпоксидные обшивки элерона (снижение массы элерона на 28% по сравнению с металлической конструкцией) и впоследствии углеэпоксидный киль (снижение массы элемента на 26%). Общее снижение массы этого самолета достигает 230 кг.

В дальнейших модификациях этого самолета доля КМ увеличилась. Так, в самолете LockheedL-1011-500 Tristar (1978 г.) применены кевларовые зализы крыла с фюзеляжем, панели неподвижного носка и хвостовой части крыла, хвостовая часть рулей высоты и направления, обтекатели механизации крыла и зализ фюзеляжа со вторым (центральным) двигателем. Масса кевларопластиков – 1135 кг, снижение массы составило 25%.

McDonnell Douglas. Конструкция самолета DC-10 (1970 г.) в целом сходна с  конструкцией LockheedL-1011-1 Tristar. КМ применялись для создания углеэпоксидных обшивок и внутреннего набора руля направления (снижение массы элемента составило 30% по сравнению с металлической конструкцией). Также было изготовлено шесть углеэпоксидных килей (снижение массы элемента на 27%).

ATR. Самолет ATR-42 (1984 г.) и его удлиненная версия – ATR-72 (1989 г.) имеют в своей конструкции кессоны консолей крыла, полностью выполненные из углепластиков (впервые в пассажирской авиации). В целом доля КМ на самолете достаточно велика: масса конструкции составляет 7300 кг, из которых на долю композитов приходится 22,6%.

Beech. Самолет BeechModel 2000 Starship 1 (1986 г.) стал смелой попыткой сломать принципы подхода к проектированию административных самолетов, как в части внешнего вида ВС, так и в части используемых материалов. Была использована аэродинамическая схема «утка».

Наиболее крупными агрегатами, выполненными из КМ (в основном на основе углеродных волокон с эпоксидной матрицей (углепластики), являются крыло и фюзеляж. В применяемых углепластиках использовались препреги различного вида: однонаправленная лента, ткань и жгуты.

Boeing. Boeing 727 (1963 г.) – первый среднемагистральный узкофюзеляжный пассажирский самолет, разработанный корпорацией Boeing, в конструкции которого были применены композиты. С применением КМ были выполнены углеэпоксидные обшивки руля высоты (снижение массы конструкции руля высоты составило 26%).

Airbus. На самолете А-310 (1982 г.) фирмы Airbus было применено углепластиковое вертикальное оперение, а также тормоза из КМ на основе волокон углерода. Общая доля композитов в конструкции А-310 составила 5% от массы самолета.

Осознание того, что только замена металла на композит в основных силовых агрегатах планера (крыло, фюзеляж) позволит добиться ощутимого роста весовой эффективности конструкции, привело в конце XX в. к резкому возрастанию на Западе интенсивности работ в области КМ.

К концу XX в. конкуренция двух крупнейших мировых производителей магистральных пассажирских самолетов – американского Boeing и западноевропейского Airbus – достигла апогея.

Появление в 2005 г. имеющего цельнокомпозитный фюзеляж самолета Hawker 4000 (фирма Beechcraft, США) и европейского А-380 довело процентное содержание КМ в конструкции до 25–30%.

Создание самолетов B-787 (2009 г.) и А-350 (2013 г.), крылья и фюзеляжи которых изготавливаются в основном из КМ, довели этот показатель до значения 50–55%.

Boeing В - 787

 Airbus A350

Рис.4 Модели самолетов Boeing и  Airbus

В то же время следует отметить, что в конце 70-х – начале 80-х гг. корпорация Boeing несколько уступала западноевропейским фирмам и АНТК «Антонов» в объемах применения высокоэффективных ПКМ.

В настоящее время несомненными лидерами по использованию конструкций из КМ в самолетах транспортной категории являются Airbus и Boeing.

В АНТК им. О. К. Антонова таким первым подразделением, широко известным в отрасли, стал научно-исследовательский отдел по ПКМ.

При этом широкое использование ПКМ началось именно со стеклопластиков на самолете В 747, из них изготовлено свыше 900 м² (25%) омываемой поверхности этой машины. Силовой конструкцией из ПКМ, впервые сертифицированной в 1984 г. для эксплуатации в гражданской авиации, был стабилизатор самолета В 737-200. Применение ПКМ снизило его массу на 22%. В то же время на самолетах  В 767, В 757, В 737-300 были уже в основном использованы углепластики. На В 767 и В 757 объем использования ПКМ составлял примерно 3% от массы конструкции самолета, при этом 1500 кг ПКМ привели к снижению массы более чем на  560 кг или на 25%. Но в последующем варианте самолета В767 общий объем применения композитов 1550 кг, а общее снижение массы конструкции достигло 1000 кг. Из ПКМ изготовлены передние и задние кромки крыла, законцовки, рули направления и высоты, интерцепторы, створки ниши основных шасси, створки мотогондолы, обтекатели, люки, полы в пассажирском салоне и др. Рули направления для самолета В767 изготавливала фирма Airitalia. Они имеют габариты 2,4х10,4 м и представляют собой двухлонжеронную конструкцию с сотовым заполнителем. На это время этот руль направления являлся одной из крупнейших конструкций, выполненных из углепластиков. При этом необходимо отметить, что В 767 – это первый гражданский самолет фирмы Boeing, который с самого начала проектировался с учетом применения ПКМ. К 1987-1988 годам доля ПКМ в конструкциях транспортных самолетов в среднем достигла 15-20%.

5. Свойства композитных материалов

Композиционные материалы по сравнению с металлами имеют следующие преимущества.

1. Высокая жёсткость, которая зависит от содержания волокон упрочнителя в КМ, в ориентированных композитах 60 - 80%, а в неориентированных волокнах - 20 - 30%.

2. Высокая удельная прочность, которая у большинства композитов составляет более 3500 МПа, а у различных сталей от 500 - 3000 МПа

3. Высокая износостойкость деталей из композитов. Она выше в 1,3 - 1,5 раза, чем у аналогов – металлов.

4. Высокая усталостная прочность, или долговечность, у композитов немного больше, чем у металлов.

5. Один из самых больших достоинств композиционных конструкций заключается в небольшом весе.

6. Из КМ можно сделать конструкции, размеры которых будут стабильны при определённых химических, температурных и других воздействиях.

Однако композиционные материалы обладают рядом недостатков:

1. Высокая стоимость по сравнению с черными металлами. Это связано не столько с затратами на ресурсы, сколько с высокой наукоёмкостью и дорогим оборудованием для производства.

2. Высокий удельный объём, что может создать дополнительное аэродинамическое сопротивление авиационной конструкции.

3. Гигроскопичность КМ из-за несплошной внутренней структуры, что может привести к разрушению композита изнутри. Следует отметить, что сверхновые КМ почти не подвержены гигроскопичности.

4. Анизотропия свойств, то есть зависимость свойств композиционной конструкции от направления измерения. Например, упругость вдоль волокон какого-либо композита может быть в 10 - 20 раз больше, чем в поперечном направлении.

5. Низкая ударная вязкость, которая даёт вероятность возникновения скрытых дефектов, выявить которые можно лишь с помощью специальных инструментов.

6. Низкая эксплуатационная технологичность. Они плохо ремонтируются, а чаще всего вообще не пригодны к ремонту и имеют очень большую стоимость эксплуатации из-за дорогого оборудования.

5.1. Классификация КМ по конструктивному признаку

Классифицироваться КМ могут по конструктивному признаку, по материалу наполнителя и матрицы.

По виду армирующего наполнителя композиционные материалы классифицируются на волокнистые, слоистые, гомогенные, скелетные.

На рисунке 5  представлено как классифицируются композитные материалы по конструктивному признаку.

а) хаотически армированные:

1. короткие волокна, 2. непрерывные волокна

б) одноармированные:

1. однонаправленные непрерывные, 2. однонаправленные короткие

в) двуармированные:

1. непрерывные нити, 2. ткани

г) пространственно армированные

1. три семейства нитей, 2. n семейств нитей.

Рис. 5  Классификация КМ по конструктивному признаку

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

5.2. Классификация КМ по материалу матрицы и наполнителя

КМ получают свое общее название по типу материала матрицы. КМ с полимерной матрицей называют полимерными (ПКМ), с металлической матрицей – металлическими (МКМ) и с неметаллической матрицей – неметаллическими (НМКМ).

В изделиях авиационной отрасли наиболее широко применяются полимерные КМ с армирующими наполнителями на основе стеклянных, угольных или органических волокон.

Стеклянные волокна

При сравнительно малой плотности они имеют высокую прочность, низкую теплопроводность, теплостойки, стойки к химическому и биологическому воздействиям. Обычно форма сечения стекловолокна – круг, но выпускаются и полые волокна, шестиугольник, треугольник, квадрат, прямоугольник.

Органические волокна

Волокна на основе ароматических полиамидов (арамидов). Используются для получения высокопрочных и высокомодульных композитов с полимерной матрицей органопластиков. Прочность арамидных волокон после ткачества составляет 90% исходной прочности нитей, что дает возможность применять их в качестве тканых армирующих материалов.

Углеродные волокна

Углеродные волокна делятся на карбонизованные (содержание углерода 80...90 и графитизированные (содержание углерода выше 99 %).

В таблице приведены свойства КМ в сравнении со свойствами различных металлических сплавов. Замечательным является тот факт, что предел прочности КМ больше, чем у любого сплава, хотя удельный вес в несколько раз меньше.

Таблица 1. Сравнение механических характеристик КМ                                   

6. Современные российские разработки

Самолёт МС-21 (рис. 6), характеристики которого превосходят конкурентов аналогичного класса у Airbus и Boeing, проектируется в ОКБ им. Яковлева, входящим в корпорацию "Иркут".

Рис. 6 Габаритные размеры МС-21-200, МС-21-300, МС-21-400

МС-21-200  рассчитан на перевозку от 132 до 165 пассажиров и МС-21-300 - от 163 до 211 пассажиров.

МС-21 полностью спроектирован с помощью безбумажных технологий на основе 3D-моделирования всех его компонентов (рис. 7). В производстве самолёта используются все последние мировые наработки в области авиа- и двигателестроения, современные технологии сборки и изготовления элементов конструкции.

Рис. 7 Элементы конструкции самолета семейства МС

ПД-14 сегодня один из ключевых проектов российского авиастроения. Двигатель нового поколения основан полностью на российских технологиях. На серийные МС-21 двигатели ПД-14 будут устанавливаться с 2018 года. В 2017 году двигатель пройдёт стендовые испытания. Первые версии самолёта МС-21 будут оснащены американскими двигателями, которые весной 2016 года прошли сертификацию Федерального управления гражданской авиации США (FAA).

В планере МС-21 сочетаются алюминиевые сплавы и КМ, доля углепластиков в МС-21 более 30%. Силовые элементы крыла, киля, хвостового оперения и панели центроплана МС-21, изготовленные на заводе «АэроКомпозит» из углепластиков, относятся к структурным элементам первого уровня. Главное преимущество МС-21 заключается в использовании недорогой инновационной технологии.

Рис. 8 “Черное крыло”

"Чёрное" крыло - названо так из-за чёрного цвета композиционных материалов. Изготовлено методом VАRTM без использования препрегов.

VARTM - технология вакуумной инфузии. Сначала из сухой углеродной ленты создаётся преформа детали, которая затем помещается в термоинфузионную установку, где происходит пропитка полимерным связующим и при повышенных температурах идёт процесс полимеризации. Термоинфузионная установка имеет только функцию нагрева - это принципиальное отличие от технологий, использующих препреги.

7. Работы в Самарской области

Самарская область одно из мест в России, где широко развита авиационная и космическая промышленность. Здесь ОАО «Моторостроитель», завод «Авиакор», где собираются АН-140-100, ТУ-154М.  Здесь и РКЦ «Прогресс». Но это уже области практического применения КМ.

Первенство в работах по изучению КМ в Самарской области, конечно,  принадлежит Самарскому государственному аэрокосмическому университету имени академика С.П. Королёва (СГАУ)

В СГАУ в 2015 г. создана новая международная лаборатория «Композиционные материалы и конструкции». Ее организаторами стали СГАУ, Институт машиноведения РАН и Люблянский университет (Словения).

Одной из ключевых задач новой лаборатории станет создание сверхлегких тонкостенных конструкций из слоистых композитов с узлами для передачи сосредоточенных сил из термопластов, армированных короткими высокопрочными волокнами. Эти конструкции предназначены для применения в аэронавтике.

Накопленный опыт проектирования и испытаний  авиационных конструкций из композитов уже дал возможность СГАУ приступить к разработке новой образовательной магистерской программы «Проектирование и производство композитных конструкций». А на открытом Чемпионате России по композитам «Composite Battle – 2015», организованном  Минпромторгом  РФ и Минобрнауки РФ, команда аспирантов и студентов СГАУ заняла призовое третье место.

Неоднократно в списке получателей денежных выплат молодым ученым и конструкторам, работающим в Самарской области, можно видеть людей из СГАУ, которые постоянно участвуют в научных конференциях со своими разработками в области КМ (разработка и исследование новых композитов, разработка научных основ проектирования и производства аэрокосмических конструкций из полимерных материалов, армированных высокопрочными волокнами и др).

8. Перспективы применения композитных материалов

Основным из важнейших направлений применения КМ это создание интеллектуальных материалов, способных определять внешние воздействия и реагировать на них изменением своих свойств.

Новейшие материалы с уникальными технико-эксплуатационными характеристиками являются решающим фактором при построении конкурентной авиационной и космической техники нового поколения. Одна из областей применения интеллектуальных материалов - управление морфингом несущих плоскостей для регулирования, оптимизации или перестройки формы оболочки крыла с целью улучшения свойств поведения самолета в воздухе. Это направление перспективное при создании различных классов беспилотных летательных аппаратов.

КМ сейчас и в будущем будут широко применяться в авиакосмической промышленности. Под воздействием внешних факторов рано или поздно все материалы разрушаются, поэтому ученые уже сейчас стремятся создать самовосстанавливающиеся материалы и покрытия, способные к многократной регенерации. Особенно это актуально там, где ремонт или замена деталей затруднены или невозможны. Разработки по созданию самовосстанавливающихся материалов продолжатся.

Без понимания самых малейших изменений, происходящих внутри композита, матрице невозможен контроль за состоянием и функционированием КМ в заданных параметрах, поэтому неразрывно с разработкой КМ будет проводиться комплекс исследований в области разработки оптоволоконных датчиков для контроля затвердевания композитов, а также мониторинга состояния и конфигурации конструкций авиакосмических аппаратов.

Налицо преимущества использования интеллектуальных авиаконструкционных материалов и микросистем:

  • улучшение летно-технических характеристик воздушного судна  - за счет адаптации аэродинамики поверхностей крыла к условиям полета по принципу обратной связи
  • увеличение срока службы функциональных компонентов – за счет сохранения структуры;
  • увеличение ресурса обшивки – за счет использования самовосстанавливающихся покрытий;
  • повышения комфорта экипажа и пассажиров – за счет снижения вибраций шума.

Заключение

Несмотря на факторы, сдерживающие распространение КМ: высокая цена, плохая приспособленность к ремонту и сложность в эксплуатации, создание и изготовление композитов являются перспективными направлениями в науке. Они получат большее развитие в будущем, продолжая заменять цветные металлы и многие другие материалы.

Однако перспективные разработки отечественных КБ дают возможность надеяться, что в скором времени использование композитов в конструкции их ВС будет на уровне ведущих зарубежных производителей авиационной техники.

Для широкого применения КМ  необходимо разрабатывать новые КМ с более низкой себестоимостью. Одной из задач стоящей перед технологией изготовления КМ является сокращение времени производства полимерных материалов и совершенствование технологии изготовление готовых деталей и узлов.

В настоящее время лидером по использованию конструкций из КМ в транспортных самолетах являются Airbus и Boeing (таблица 2).

Таблица 2. Использование конструкций из КМ

Период эксплуатации

Процентное содержание КМ в конструкции

Тип ВС

1970-1985гг,

Менее 10

Ан-26, Ан-72, Ан-124, Ил-96, Boeing 747, MD-80, Boeing 767, Boeing 757, Airbus 310, Boeing 737 Classic

1985-2000гг,

10-25

Ту-204, Ил-114, Ан-70, Ту-334, Ан-148, Airbus 320, ATR 72. Airbus 330/340, Airbus 321, Boeing 737(NG), Boeing 777, Boeing 747-8, SSJ-100

2000-2014гг,

25-55

Airbus 380, Boeing 787, Airbus A-350XWB

Однако перспективные разработки отечественных конструкторских бюро, в том числе Самарского национального исследовательского университета им. С.П. Королева, ОАО «Моторостроитель» и завода «Авиакор» дают надежду, что в этой отрасли Россия в скором времени будет на уровне ведущих мировых производителей.

Источники информации:

1. Ю.М. ФЕЙГЕНБАУМ, С.В. БУТУШИН, Д.Г. БОЖЕВАЛОВ, Ю.С. СОКОЛОВ «КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИСТОРИЯ  ИХ ВНЕДРЕНИЯ В АВИАЦИОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ» // Научный вестник ГосНИИ ГА, №7, 2015.

2. А.В. ЗИМБИЦКИЙ, Ю.В. СТАСЮК. «ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В СОВРЕМЕННОМ АВИАСТРОЕНИИ, КОНТРОЛЬ ЗА ИХ СОСТОЯНИЕМ В ЭКСПЛУАТАЦИИ»  (Статья представлена доктором технических наук, профессором Стреляевым Д.В.) // Научный вестник МГТУ ГА, №208, 2014.

3. О.С.СИРОТКИН, докт. техн. наук;  М.А.АНДРЮНИНА «ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТОВ В АВИАЦИИ» (ОАО “Национальный институт авиационных технологий”) // Материалы и металлургия, №2, 2013.

4. С.П. САВИН «ПРИМЕНЕНИЕ  СОВРЕМЕННЫХ  ПОЛИМЕРНЫХ  КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ  В  КОНСТРУКЦИИ  ПЛАНЕРА  САМОЛЕТОВ  СЕМЕЙСТВА МС-21» // Известия Самарского научного центра РАН Известия Самарского научного центра РАН, т.14, №4(2), 2012.

5. МАКИН Ю.Н. «ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ЛА И АД. КОНСТРУКЦИИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ» http://storage.mstuca.ru/bitstream/123456789/4436

6. ФАЙЗУЛИН М.Р. «АНАЛИЗ ПРЕИМУЩЕСТВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В АВИАСТРОЕНИИ» (КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ), «XXII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ (школа молодых ученых)» 19-21 октября 2015.

7. Д. С. КИВА «ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ И НАЧАЛА РАЗВЕРНУТОГО ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ  В КОНСТРУКЦИЯХ ПАССАЖИРСКИХ И ТРАНСПОРТНЫХ САМОЛЕТОВ (1970 – 1995 гг.) Гос. Предпр. «Антонов», Киев, Украина.http://www.irbis-nbuv.gov.ua/cgi-bin/irbis_nbuv/cgiirbis_64.exe

8.  «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ АВИАКОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА». Конференция серии «Будущее индустрии». Sky Shell 2012. МФТИ ГУ Москва, 2012.

9. В.В. ВАСИЛЬЕВ, В.Д. ПРОТАСОВ, В.В. БОЛОТИН и др. «КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ» Справочник под общей редакцией чл.-корр. АН СССР В.В. Васильева, чл.-корр. АН Латв. ССР Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. https://docviewer.yandex.ru

10. Единый портал инновационной деятельности Самарской области. http://startupsamara.ru/News/2015/12/02

11. Сибирский государственный аэрокосмический университет. https://reshetnev.sibsau.ru/program

12. Завод "Авиакор".  http://www.aviacor.ru/content/view/15/57/

13. А. ЖИРНОВ «КРЫЛАТЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ» //Наука и жизнь, №6, 2007.

Категория: Готовые работы | Добавил: Service (30.12.2016) | Автор: Мария E W
Просмотров: 1631 | Рейтинг: 4.6/88
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
14-Я ОЛИМПИАДА ЗАВЕРШЕНА!
ИТОГИ ПОДВЕДЕНЫ!
ПРИЁМ ЗАЯВОК НА УЧАСТИЕ В 15-Й ОЛИМПИАДЕ НАЧНЕТСЯ
1 ОКТЯБРЯ 2017 ГОДА!

Google+
Их многие читают
Збарский Даниил Павлович (12199)
Щур Илья Андреевич (10863)
Кузьминова Анастасия Олеговна (8342)
Бадакова Анастасия (8317)
Чеховская Алена Алексеевна (5092)
Иванов Семен Владимирович (4566)
Кошманов Илья Игоревич (4534)
Беляева Александра Сергеевна (4419)
Рафаэль (4206)
Пушинская Кристина Валерьевна (4014)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2017