Среда, 26.04.2017, 14:52
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 в самолетостроении впервые появились композиционные материалы, как и где они используются сегодня и каковы перспективы их применения?

Автор: Боронин Егор Вячеславович

Возраст: 18 лет

Место учебы: Уфимский государственный авиационный технический университет

Город, регион: г. Уфа, Республика Башкортостан

Руководитель: Шишкина А.Ф., канд. техн. наук, доцент, Уфимский государственный авиационный технический университет

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


 

Содержание:

 

1.     Введение;

2.     История появления и использования КМ;

3.     Использование КМ сегодня;

4.     Заключение;

5.     Список использованной литературы.

                                  

1.     Введение.

Волокнистые структуры повсеместно распространены в природе, где они играют роль основой ткани всех живых организмов – растений и животных, в которых выполняют различные жизненно необходимые функции. Одной из таких функций является восприятие внешних механических воздействий и сохранение при этом целостности самих организмов. Работая по тем же принципам и отвечая на потребности развивающейся техники, человеком стали создаваться аналогичные материалы – волокнистые полимерные композиты. Сегодня они являются важнейшими конструкционными материалами и будут таковыми в многолетней перспективе.

Актуальность темы: Композиционные материалы благодаря своим свойствам очень ценный материал, который может иметь очень широкий спектр свойств, которые не могут в себе сочетать традиционные материалы и их изучение дает большую возможность продвинуть индустрию самолетостроения и авиастроения в целом.

Цель работы: изучение истории использования композиционных материалов в самолетостроении, изучение их свойств и возможных перспектив использования.

Композиционный материал (КМ) представляет собой объемный монолит, искусственно образованный из разнородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединяемых между собой в единое целое за счет сил адгезионного взаимодействия на границе их раздела. В образованном монолите непрерывную по всему объему компоненту (фазу) называют матрицей или связующим, а дисперсную компоненту (фазу) – наполнителем. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми характеристиками (значение прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также композиции с необходимыми диэлектрическими, радиопоглощающими, магнитными и другими специальными свойствами). Свойства КМ часто превосходят по своим показателям традиционные металлические материалы.

Неудивительно, что материалы с такими показателями находят свое применения в самых разных областях науки и техники. Не обошли они стороной и авиацию. Рассмотрим, как и когда композиционные материалы впервые стали использоваться в самолетостроении.

 

​2. История появления и использования КМ

Рисунок 1 – Самолет-биплан С-6

Начало применения КМ в конструкции летательных аппаратов относится к первым десятилетиям ХХ в. Первым из композитов в конструкции летательных аппаратов можно считать фанеру. Ее использовал в 1911 году И.И. Сикорский в качестве обшивки гондолы для размещения пилота и двигателя на самолете-биплане С-6  (рис.1). Более широкое применение фанера получила в конструкции легкого транспортного самолета НИАИ-1 (он же «Фанера-2»). Самолет был создан в 1933 г. по проекту А.И. Лисичкина и В.Ф. Рентеля. Использование этого самолета в гражданской авиации отражено в фильме «Семеро смелых», созданного в 1936 г. кинорежиссером С. Герасимовым. В конструкции самолета нервюры крыла, секции лонжеронов и силовой набор оперения были изготовлены из тонкостенных фанерных структур.

В СССР первые КМ в виде слоистых композиций были созданы в ВИАМе (середина 30-х гг. прошлого века) под руководством Я.Д. Аврасина. Так, для создания дельта-древесины использовался шпон карельской березы, скрепленный органическим клеем. Материал обладал высокой прочностью, негорючестью и живучестью. Первым самолетом с широким использованием дельта-древесины в конструкции стал истребитель ЛаГГ-1(также известный как И-301(Рис.2) (1940 г.).

Рисунок 2 – Истребитель ЛАГГ-1 или И-301

С появлением стеклопластика на основе полиэфирной смолы (30% смолы, 70% волокон – патент Карлтона Эллиса, 1936 г. Великобритания), позволяющего применять его для формообразования различных сложных поверхностей, начался этап бурного развития КМ и их использования в авиации. На этом этапе «локомотивом» развития и лидерами использования КМ стали военная и малая авиация. В 1938 г. компания Douglas Aircraft применила стеклопластик для изготовления обтекателей в конструкции бомбардировщика Douglas A-20 Havoc. В 1964 г. появился первый полностью стеклопластиковый планер под названием H-301 Libelle («Dragonfly»). Этот планер мог оставаться в воздухе длительное время без использования двигательной силы лишь за счет планирования по воздуху.

В 1967 г. совершил первый полет, выполненный в основном из пластика, четырехместный гражданский поршневой самолет Eagle (рис.3), построенный фирмой Windecker.

Рисунок 3 – Гражданский самолет Eagle

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. широко применять композиты для производства воздушных судов (ВС), и в первую очередь ВС военного  назначения. Например, палубный многоцелевой истребитель F-14A Tomcat фирмы Grumman (1974 г.) имел в своей конструкции бороэпоксидные материалы, масса которых составляла 0,6% общей массы самолета, благодаря чему снижение массы конструкции составило 19% от общей массы самолета. В конструкции самолета F-15 (1975 г.) фирмы McDonnell Douglas были использованы бороэпоксидные обшивки киля, руля направления и стабилизатора, углеэпоксидные воздушные тормозные щитки, стеклопластиковый обтекатель антенны, сотовые конструкции законцовок крыла. В результате этого снижение массы составило 25% от общей массы ВС  при весе КМ около 1,6% от общего веса самолета.

В конструкции самолета F/A-18 (1978 г.) доля КМ составляет от 10% (модификации C/D) до 20% (модификации E/F) по весу. В самолете использованы углеэпоксидные обшивки крыла, кессоны киля и стабилизатора, поверхности управления, воздушные тормозные щитки. Часть обшивки крыла и крышки смотровых лючков фюзеляжа также выполнены из углепластика. Снижение массы самолета составляет 35%, по сравнению с таким же самолетом, где все элементы были бы выполнены без применения КМ.

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 период 1950–1965 гг. на базе результатов работ по физике твердого тела и механике анизотропных сред, а также поисковых работ по созданию новых видов нитевидных кристаллов и непрерывных высокопрочных и высокомодульных армирующих волокон, в ВИАМе, под руководством А.Т. Туманова и С.Т. Кишкина, был создан новый класс материалов для машиностроения на полимерной и металлической матрицах. На основе этих и других отечественных исследований был налажен выпуск углеродных, борных, полимерных волокон, синтезированы новые виды связующих, получены высокотемпературные композиты на металлической основе, разработаны десятки видов технологических решений. В этот период появился термин «композиционный материал», или «композит». Тем не менее, в отечественную авиацию композиты «входили» очень осторожно. Так, на самолете МиГ-31 (1975 г.) доля КМ составляла лишь 1%.

В самолете Су-27 (1977 г.) детали из КМ использовались ограниченно, главным образом как обтекатели антенн. 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 композитов в конструкции составила около 200 кг. Более широко использованы композиционно-сотовые конструкции на самолете МиГ-29М (1986 г.). Из них, в частности, изготовлен тормозной щиток, воздушные каналы и капоты двигателей, кили, крышки лючков и т.п. Доля использования этих материалов составила 8% от веса конструкции самолета. На самолете МиГ-29К (рис.4) (1988 г.) доля КМ составила 12% от общей массы планера и около 50% его поверхности.

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. 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 общего веса самолета.

Рисунок 4 – Самолет МиГ-29К

Аналогичную конструкцию имеет самолет Су-29 (1991 г.). Отличие Су-29 от Су-26 это так называемое «черное крыло», сделанное из КМ. Дальнейшим развитием линейки этих самолетов является самолет Су-31 (1992 г.), в котором доля применения КМ в конструкции планера составляет около 70%.

 

3.     Использование КМ сегодня

На сегодняшний день КМ используются во всех областях самолетостроения: от изготовления корпуса до некоторых частей двигателя. Они применяются для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопатки вентиляторов и компрессоры.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в  увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры. Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.). Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов и другое.

Ранние модели А310 и В767 содержали всего 5-6% стекловолоконных композиционных материалов. Но уже в 1986 году конструкция А310-200 была модернизирована, что помогло повысить топливную эффективность. Среди изменений было внедрение вертикального оперения из углепластиков, также тормоза колёс стали делать из композитов на основе углеродных волокон.

 
   

Рисунок 5 – Доля композиционных Рисунок материалов по весу в современных гражданских авиалайнерах

В самолётах А320, А340 и В777 было использовано 10-15% композиционных материалов по весу. На этом этапе минимальное количество материала использовалось на силовых деталях, в основном КМ применялся для отделочных работ в салонах, в обтекателях, зализах и оперениях.

В современных самолётах этих двух корпораций А350  и В787 Dreamliner доля композиционных материалов по массе превышает 50%. В конструкции A350 52 % от веса самолёты будут составлять композиционные материалы, 20 % - алюминий, 14 % - титан, 7 % - сталь, 7 % - остальные. В самолёте В787 схожее соотношение: 50% - композиционные материалы, 20% - алюминий, 15% - титан, 10% - сталь, 5% - остальные.

В отечественном самолетостроении сейчас можно выделить 2 проекта: Иркут МС-21 и Sukhoi Superjet 100.

Об использовании КМ в SSJ 100 рассказывает заместитель технического директора ВАСО по изделию SSJ А.Н. Рощупкин:

«В современном мировом авиастроении все более широко применяются композиционные материалы. Их использование облегчает конструкции лайнеров и приводит к экономии топлива. Обладая большим опытом в производстве агрегатов из полимерных композиционных материалов, Воронежское акционерное самолетостроительное общество подключилось к реализации программы по созданию семейства российских региональных самолетов Sukhoi Superjet 100 в 2005 году. На первых этапах на предприятии было начато производство обтекателей, агрегатов механизации крыла – элеронов, закрылок и других. Реализация проекта SSJ в ОАО «ВАСО» осуществляется на договорной основе с ЗАО «ГСС». Для сопровождения серийного производства, на базе ВАСО совместно с компанией «Сухой» создается центр компетенции по производству узлов и агрегатов из композиционных материалов.

Около 10% площади поверхности самолета SSJ 100 составляют панели и навесные агрегаты из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Сегодня зоной ответственности ВАСО по производству и поставкам составных частей для серийного самолета SSJ 100 являются 163 наименования агрегатов фюзеляжа, крыльев и оперения, состоящих из полимерных композиционных материалов – углепластиков, стеклопластиков и металлических элементов.»

Рисунок 6 – использование ПКМ в SSJ 100

Ирку́т МС-21 («Магистральный самолёт XXI века») на данный момент проходит испытания и в процессе изготовления еще 4 образца. 8 июня 2016 года состоялась первая презентация летного образца в цехе Иркутского авиационного завода. Первый запуск запланирован на первый квартал 2017 года.

Сам самолет представляет собой ближне-среднемагистральный пассажирский авиалайнер, который по коммерческим характеристикам схож с что и Boeing-737 MAX и Airbus A320neo.

МС-21 задумывался как инновационный самолет. Главная из инноваций: впервые в России и, более того, ранее чем у многих ведущих авиационных производителей самолет будет иметь композитное крыло. Принципиально важно, что речь идет не просто о широком применении композитов, а о их использовании в высоконагруженных конструкциях. Это в свою очередь оказывает существенное влияние на аэродинамическую компоновку и на аэродинамику самолета. Традиционно аэродинамики стараются увеличить удлинение крыла (отношение размаха крыла к средней хорде крыла), поскольку это способствует уменьшению сопротивления. Однако это стремление упирается в увеличение массы конструкции, что заставляет искать оптимум, компромисс.

Исследования подтвердили, что композитная конструкция позволяет заметно увеличить удлинение крыла по сравнению с металлическими конструкциями, — что и реализуется на МС-21. Типовое удлинение крыла у самолетов прошлого поколения около 8–9, в современных самолетах — 10–10,5, а на МС-21 закладывается 11,5. В результате аэродинамическое качество — а это основной параметр, характеризующий совершенство самолета, — на больших скоростях полета у МС-21 выше, чем у лучших современных аналогов, на 5–6%. По нынешним меркам это большое преимущество. Отсюда существенная экономия топлива, увеличенная крейсерская скорость и высота полета. Таким образом, главная особенность данного самолета заключается в так называемом «черном» (композитном) крыле лайнера. Из композитов у МС-21 будут сделаны также отдельные элементы фюзеляжа, центроплан и оперение. По сравнению, например, с российским самолетом Ту-204, у которого доля углеродных композитов в массе планера составляет 14%, у нового лайнера это число увеличено почти до 40%.

Рисунок 7 – использование КМ в МС-21

         Наш университет в свою очередь так же вносит свой вклад в исследования и разработку КМ в авиастроении. В 2013 году ОАО НИИТ и УГАТУ совместно спроектировали и изготовили для КБ им. Климова (Санкт-Петербург) колесо центробежного компрессора для вертолетного двигателя из композиционных материалов, которое легче аналогичного титанового практически в 2 раза.

 

4.     Заключение

По мере развития КМ и улучшения их технических характеристик сфера использования для них увеличится до огромных размеров. Их можно будет использовать в самых важнейших элементах летательных судов. При уменьшении анизотропии они станут надежнейшими материалами для авиастроения. По многим характеристикам КМ не уступают, а иногда и превосходят традиционные металлические материалы.

Но тем не менее нельзя КМ считать решением всех проблем в данной сфере, есть некоторые недостатки, над которыми необходимо задумываться при проектировании деталей.

Высокая стоимость - обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а, следовательно, развитого промышленного производства и научной базы страны.

Анизотропия - непостоянство свойств композитного материала от образца к образцу. Для компенсации анизотропии увеличивают коэффициент запаса прочности, что может нивелировать преимущество композитных материалов в удельной прочности. Таким примером может служить опыт применения композитных материалов при изготовлении вертикального оперения истребителя МиГ-29. Из-за анизотропии применявшегося композитного материала вертикальное оперение было спроектировано с коэффициентом запаса прочности кратно превосходящим стандартный в авиации коэффициент 1,5, что в итоге привело к тому, что композитное вертикальное оперение Миг-29 оказалось равным по весу конструкции классического вертикального оперения, сделанного из дюралюминия.

Низкая ударная вязкость также является причиной повышения коэффициента запаса прочности. Кроме этого, низкая ударная вязкость обуславливает высокую повреждаемость изделий из композитных материалов, высокую вероятность возникновения скрытых дефектов, которые могут быть выявлены только инструментальными методами контроля.

Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении композитных материалов в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объему. Это относится, например, к сверхзвуковым самолётам, у которых даже незначительное увеличение объема самолёта приводит к существенному росту волнового аэродинамического сопротивления.

Токсичность - при эксплуатации композиционные материалы могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из композитных материалов изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека (таким примером может послужить композитный фюзеляж самолета Boeing 787 Dreamliner), то для одобрения применяемых при изготовлении КМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов КМ на человека.

Низкая эксплуатационная технологичность - композиционные материалы обладают низкой эксплуатационной технологичностью, низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоемких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из композитных материалов. Часто объекты из композитных материалов вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.

Устранение или уменьшение этих свойств приведет к  улучшению качества материала и откроет новые возможности его применения как в авиации, так и в других сферах промышленности.

Несмотря на объективные трудности, имеющиеся в деле разработки и применения композиционных материалов в самолето- и вертолетостроении, современная наука с уверенностью смотрит в будущее. Прилагаются все усилия для того, чтобы применение и производство композиционных материалов было качественно расширенно и улучшено. В России много делается на государственном уровне для воплощения в жизнь результатов научной деятельности. 

В настоящее время перечень военных, гражданских и разного назначения легких самолетов, в конструкции которых (в том числе в основной силовой конструкции) широко используются КМ, достаточно велик. Как показывает рассмотрение исторического аспекта, композиционные материалы являются очень перспективными для применения в авиации. Поэтому в будущем спектр их использования будет только расширяться.

 

5.     Список использованной литературы

1. Фейгенбаум Ю.М., Бутушин С.В., Божевалов Д.Г., Соколов Ю.С. Композиционные материалы и история  их внедрения в авиационные конструкции // НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ГосНИИ ГА, №7, 2015.

2. Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. – М.: Машиностроение, 1988.

3. Справочник по композиционным материалам в 2х кн. под редакцией Дж. Любина. – М.: Машиностроение, 1988.

4. Журнал Compisite 21 Century. – № 6, 2011.

5. Макин Ю.Н. Основы производства ЛА и АД. Конструкции их композиционных материалов. – Электронный ресурс. – http://storage.mstuca.ru/handle/123456789/4436

6. Бутушин С.В., Никонов В.В., Фейгенбаум Ю.М., Шапкин В.С. Обеспечение летной годности воздушных судов гражданской авиации по условиям прочности. – М.: МГТУ ГА, 2013. – 772 с.

7. Самойлов И.А., Лесничий И.В., Самойлов В.И., Кипчарский Д.А. Состояние и перспективы развития парка воздушных судов гражданской авиации России // Научный Вестник ГосНИИ ГА. – 2014. – № 4.

8. Compisite 21 Century. – 2011. – №5.

9. Пассажирский самолет МС‑21: летно-технические характеристики. Справка. –  Электронный ресурс. – https://ria.ru/spravka/20080714/113960566.html

 

Категория: Готовые работы | Добавил: Service (09.01.2017) | Автор: Боронин Егор Вячеславович E W
Просмотров: 194 | Комментарии: 1 | Рейтинг: 3.3/3
Всего комментариев: 1
1  
Вдобавок к этому многочисленные мелкие детали двигателей и электро- и радиоаппаратуры уже очень давно изготавливаются из карболита. Прокладки в трубопроводах бывают паронитовые, медноасбестовые, фибровые. Очень большие надежды возлагают теперь на лопатки турбин на основе керамической матрицы

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
Щур Илья Андреевич (8833)
Бадакова Анастасия (6309)
Кузьминова Анастасия Олеговна (6209)
Чеховская Алена Алексеевна (4390)
Кошманов Илья Игоревич (4135)
Иванов Семен Владимирович (3882)
Пушинская Кристина Валерьевна (3810)
Беляева Александра Сергеевна (3732)
Ахметшин Тимур (3565)
Рафаэль (3379)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2017