Суббота, 16.02.2019, 14:50
Приветствую Вас Гость | RSS
Шестнадцатая олимпиада посвящена 100-летию регулярных пассажирских авиаперевозок
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: Лохоня Никита Андреевич, 16 лет,
ученик МБОУ "Классическая школа" г. Гурьевска,
Калининградской обл.
Руководитель: Сафрутин Сергей Валерьевич, 
учитель МБОУ "Классическая школа" г. Гурьевска, 
Калининградской обл.

Как и где в самолетостроении впервые появились композиционные материалы,
как и где они используются сегодня и каковы перспективы их применения?

Содержание

1. Введение
2. Историческая справка
3. Раскрытие темы вопросов применения  композитных материалов
4. Заключение и подведение итогов
5. Литература, источники информации

Введение

Для ответов на поставленные вопросы темы «Как и где в самолетостроении впервые появились композиционные материалы, как и где они используются сегодня и каковы перспективы их применения» мне понадобилось изучить, и испробовать композитные материалы в опытном производстве. Для понимания я разделил композитные материалы на две группы — композиты армированные и наполненные. Наполненный композит имеет матрицу из одного материала, наполненную дискретными частицами другого материала; визуально он очень похож на единое химическое соединение, из которого трудно выделить составляющие. Так же поделил на группу композитов эпоксидных и полиэфирных смол. Когда говорим слово «композит», мы подразумеваем в первую очередь много материальные, переклеенные, сложные материалы (про фанеру я говорить не буду, и композиционные материалы на основе полиамидов тоже не буду рассматривать). Будет интересовать «композиты», которые сегодня обсуждаться: уголь, стекло, кевлар.  

Состав стекла в первую очередь определяет свойства стекло¬волокон, их прочность при растяжении, которая превышает прочность других текстильных волокон.

Высокая температура плавления стекловолокон позволяет использовать их в области высоких температур. Стекловолокна не воздействуют на большин-ство химикатов и не разрушаются под их влиянием. Для стеклопластиков, электротехнического назначения,  используют эпоксидные смолы.

«Карбоновое» волокно  углеткань имеет достоинства и недостатки: высокая цена, по сравнению со стеклопластиком и стекловолокном, прочность с эластичностью, легче стали на 40 %, легче алюминия на 20 % (1,7 г/см3 – 2,8 г/см3 – 7,8 г/см3 ), но при ударах трескается, крошится при этом не рассыпается на осколки.

Арамидные ткани (кевлар+уголь)

Наполнителем служат в основном стеклянные волокна в виде нитей, жгутов стеклотканей. Связующим - преимущественно термоактивные смолы полиэфирные, феноло-формальдегидные, эпоксидные и т.д.

Рассмотрим основные методы технологий в получении композитных материалов:
а) метод ручного формования получил распространение, благодаря своей доступности и экономичности, применяется при выпуске изделий малыми и средними партиями, отдельными экземплярами;
б) метод напыления используется для производства крупных элементов. Целесообразно использовать технологию для выпуска изделий мелкими и средними партиями;
в) метод намотки, он подходит для выпуска таких изделий, как композитные трубы авиационной и космической техники; 
г) технологический метод  Resin Transfer Moulding или инжекция полиэфирной смолы в закрытые формы, применяется при производстве изделий из стеклопластика средними и крупными партиями;
д) технология Light RTM, где вакуум обеспечивает необходимый прижим пуансона к матрице. Пуансон в данном случае является легким позитивным оттиском матрицы для вакуумной формовки и вакуумом в рабочей полости формы  пропитывает армирующей материал смолой.
По перечисленным технологическим методам, можно разделить конструкционные части авиационной  техники и подобрать необходимую технологию в методе и материале для изготовления конкретной части самолет. Например изготовить лонжерон для крыла- методом намотки. 

По направлениям, векторам ориентации волокон и количества слоев и наполнителей  можно довести композитные материалы до физических свойств, которые были недосягаемы с металлами.

Историческая справка

Первые исторические примеры использования композитных материалов. Во времена, до нашей эры, древние люди склеивали деревянные полосы под разными углами, чтобы создать фанеру. А через 1500 лет египетские строители и ремесленники использовали солому для укрепления глиняного кирпича, керамики. Развития, композиты получили в 1890-х годах. Новые синтетические смолы могли преобразовываться из жидкого в твердое состояние, кристаллизуясь в молекулярной структуре. Этот процесс получил название – полимеризация. А в начале 1900-х годов, химический прогресс стимулировал развитие пластмасс.  Были созданы, такие материалы, как винил, полистирол и фенол. Но для обеспечения прочности и жесткости требовалось армирование. Термореактивная фенолоформальдегидная смола, образованная в результате реакции элиминации фенола с формальдегидом – бакелит – является одной из первых таких пластмасс, изготовленных из синтетических компонентов. Она была разработана бельгийским химиком из Нью-Йорка Лео Бакеландом в 1907 году. Немаловажное событие для современных композитных материалов произошло в 1935 году. Оуэнс Корнинг представил первое стекловолокно и запустил промышленность по производству армированных волокон (FRP). В 1936 году были получены патенты на ненасыщенные полиэфирные смолы. К огромному сожалению промышленность СССР в это время не могла освоить, производить синтетические материалы и не могла выпустить необходимые металлические сплавы, алюминия и стали для авиационной промышленности в необходимом объеме. Германия производила перед войной 200 тыс. тонн алюминия, а СССР лишь 60 тыс. Для производства боевых самолетов крылатого метала было недостаточно. Решение было найдено, в освоенной технологии переработки высоко качественной древесины. Это Дельта-древесина. Она же древесный слоистый пластик, она же бакелитовая фанера, она же лигнофоль. На сегодня этот вид композита потерял своё стратегическое значение и используется в основном для производства нагруженных деревянных элементов — например мебельных узлов, историю можно отсчитывать от 28 июня 1932 года — в этот день указом наркома тяжёлой промышленности СССР Григория Орджоникидзе был образован Всесоюзный научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ). Со временем он стал одной из ведущих исследовательских площадок, занимавшихся разработкой композитных материалов, а также сплавов и полимеров, в советском авиастроении намечался кризис. Практически все самолёты Страны Советов имели или цельнодеревянную, или деревометаллическую конструкцию, которая не выдерживала растущих скоростей и мощностей. Конечно, уже строились цельнометаллические самолёты, пример самолет ТБ-3, который являлся цельнометаллическим свободнонесущим четырехмоторным монопланом, или ПЕ-2  в котором использовался  дюралюминий - но он был исключительно дорог, как и другие сплавы алюминия, и массовое производство самолётов с дюралюминием  наладить было проблематично.

На фото изображен процесс изготовления на заводах советский истребитель ЛаГГ-3

Раскрытие темы вопросов применения  Композитных материалов

В общем, Стране Советов нужен был доступный, прочный в обработке материал. Решение нашёл главный инженер Кунцевского завода авиационных винтов и лыж Леонтий Иович Рыжков. В ходе опытов с винтами он разработал так называемую бакелитовую фанеру, позже получившую название «дельта-древесина». Делается она так: сперва берёзовый шпон плотно пропитывается спиртовым раствором фенолформальдегидной смолы, затем прессуется, а затем его слои склеиваются. Получившийся материал становится очень прочным, что важно, негорючим. Поскольку Кунцевский завод не имел мощностей для дальнейшей разработки, образцы и документы Рыжкова передали на ВИАМ, специализировавшийся на авиационных материалах. К 1940 году дельта-древесина была доведена до окончательного состояния группой инженеров под руководством Якова Аврасина. Яркие примеры использования дельта-древесины, были в большинстве отечественных  самолетов 1938-1942 годов. В эти времена на смену И-15 и И-16, которые, как показали последние бои в Испании, уже не соответствовали требованиям времени, ударными темпами спроектировали и построили новые истребители: МиГ-3, Як-1 и ЛаГГ-3. Причем создатели последнего инженеры С. Лавочкин, М. Гудков и В. Горбунов сразу заняли новую и весьма выгодную для того времени технологическую позицию — создать самолет преимущественно деревянной конструкции. К слову, Рыжков (отец дельта древесины), приложил свою руку в разработке И-22. Эти наработки пошли на пользу при создании истребителя, получившего обозначение И-301.

И 301 или ранняя модификация  самолета ЛаГГ на испытаниях и в цехе завода. Главным недостатком - масса самолета явно велика

Из подобных примеров из авиации второй мировой, Великобритания. У самолета «Москито» комбинированная деревянно-металлическая  конструкция.

Позже, в эру космонавтики, при создании легких, термостойких и прочных частей космического корабля или ракеты, потребовались комбинированные композитные материалы. Именно в космической отрасли композитные материалы получили гигантское развитие. Практически все ракеты на сегодняшний день изготовлены с большим количеством применения «композитов».

Изготовление ступени ракеты Ангара. Части карбоновой ступени

Омское производственное объединение «Полет» приступило к производству изделий для ракет из углепластика, из этого материала планируется изготавливать головные обтекатели для ряда отечественных ракет-носителей.

Метод намотки позволяет создавать из наполнителя пустотелые изделия, имеющие форму тел вращения, с учетом требований к их форме и условиям эксплуатации.

В Советском Союзе лучшее успешное новаторское применение технологий композитных материалов в проекте многоразовой космической системы «Энергия - Буран».

Плитка теплоизолязии «Бурана»

Вся мощь Советского Союза

Об удачном примере США в композитных материалах, можно рассказать в разработках и изделиях выполненных  Бертом Рутаном. Пример, самолет носитель, имеет размах крыльев 118 метров и является самым большим составным самолетом из когда-либо построенных. Stratolaunch составляет 73 метра от носа до хвостового оперения и выполнен из углепластика с кевларовым армированием.

В Отечественной  авиационной промышленности сегодня самый известный пример - это магистральный самолет МС-21 superjet. Его конструкция фюзеляжа выполнена на 85% из углепластика по самым новым технологиям. Крылья и хвостовое оперенье тоже изготовлены с использованием композитов. Этот самолет уже имеет серьёзный спрос на рынке.

А воздушно-космические силы  РФ  получает новый истребитель, с  уникальными ЛТТХ : высокоскоростную и сверхманевренную, защищенную от современных ПВО. Новейший истребитель пятого поколения .В конструкции  военного самолета применимы композитные материалы необходимо, которые снижают "заметность" самолета.

Электромагнитный сигнал не отражается от углеродного волокна, а проникает сквозь него или поглощается. Пример самолета (Т-50)СУ-57

Композитные материалы используют в вертолетостроении.  Изготовление лопастей несущего ротора ми-117 и других вертолетов подразумевает как стального лонжерона, так и сложных панелей, из которых состоит сама лопасть.

Эти части делают с сотообразной объемной сетки из жженного стекловолокна имеющей профиль лопасти, и пропитанного эпоксидной смолой. Лонжерон, к слову, тоже укрепляют кевларом и стеклотканью. В результате получается сверх прочные лопасти для отечественных вертолетов. 

Заключение

Для подведения итогов работы по моей теме, необходимо больше раскрыть успехи, показать разработки и производства современных Российских производителей композитов, пример АО Авиационный завод «АэроКомпозит-Ульяновск», АО Авиационный завод «КАПО-Композит» и т.д. Моя исследовательская работа не может в одном формате раскрыть всех участников современной авиационной промышленности нашей страны. К примеру, в целях и задачах завода, изготовление из композитных материалов элементов конструкций самолета (МС-21) методом автоклавного формования, а этот метод изготовления продукции включает в себя полный цикл операций, таких как: подготовка форм производства, раскрой основного и вспомогательного материалов с использованием чпу станков, укладка, выкладка, формование, механообработка, сборка, проведение контроля геометрии, и т.д. В общем отдельная исследовательская работа. Но - это будут не мои итоги и выводы, а перечисленных ниже авторов в источниках.

«В 2014 году основатель компании Anisoprint Федор Антонов был одним из первых сотрудников в центре Сколтеха, посвященном композитным материалам. Когда ему и его профессору руководство поставило задачу придумать проект, который центр будет реализовывать, специалисты задумались о 3D-печати с помощью композитных материалов – пластика, армированного специальными волокнами» http://mbgazeta.ru/mb/sverhprochnyj-3d-printer)/.

Так появилась аддитивная технология с углеволокном. То же самое можно сказать про первые композиты в авиации. Мы первые серьезно начали применять дельта-древесину. Но так как мы перестали ее развивать, технология ушла на запад, и королевские воздушные силы до 50-ых использовали ее, а первый ракетный самолет ме-103 был обшит фанерой и тоже имел конструкцию из дельта-древесины. Тоже может произойти с современными технологиями, а именно с комбинированными материалами, ведь если мы не продолжим улучшать и совершенствовать их, расширять сферы применения, мы можем упустить этот шанс, эти достижения, и отстать в гонке за технологию. Мой вывод, что Современной России надо строить самолеты.

У меня есть личный пример использования композитных материалов. Так как я занимаюсь авиамоделированием, а именно кордовыми самолетами, часто сталкиваюсь с нехваткой воздушных винтов. Поэтому я решил сам разработать и изготовить в технологии КМ винты для моих моделей. Я использовал (эд-20) смолу эпоксидную, в сравнении с немецкой Lorit ,она хуже пропитывала и вставала, + к немецкому качеству, а углеткань китайская, она доступнее и качественнее, про стеклоткань в обще стоит отдельно работу провести. Стекловолокна необходимой толщины у нас нет в производстве и это тоже не лучший вывод.

 

Мой пример использования комбинированных материалов в малой авиации. Однозначно можно сказать, что композиты – это будущее, и нам надо самим развивать, и придавать новые формы и приемы технологий, а переписывая учебники по физ. свойствам композитов с указанием точных источников, можно не успеть создать новый станок для аддитивных технологий 5д печати (но это следующая тема проекта 5д).

Литература, источники информации

  1. Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника», №1, 2015Н.А. Кузьмина. « ВИАМ – ОТ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИИ XX ВЕКА К ИНДУСТРИАЛИЗАЦИИ XXI ВЕКА»
  2. https://viam.ru/public/files/2012/2012-206065.pdf Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 4–9.
  3. Комиссар О.Н.. Композиционные материалы и технологии для аэрокосмической промышленности. Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника», №4, 2013. С. 1-4.
  4. http://artlib.osu.ru/web/books/content_all/1851.pdf Кербер М. Л. Полимерные композиционные материалы. Pdf гл.11 с537.
  5. http://deg.ru/composite/braiding Оборудование и технологиидля производства композитных материалов.
  6. http://new.laspace.ru/company/history/propeller/lagg-3/ работы музея самолет лагг-3
  7. https://vestnik.laspace.ru/archives/05-2013/ «Вестник «НПО имени С.А. Лавочкина» Тимофеев А.Н., Асюшкин В.А., Грешилов П.А., Цвелев В.М., Потапова Т.К., Баженова О.П. Уникальный упрочнитель – борное волокно и его применение в космических конструкциях…
  8. https://vestnik.laspace.ru/archives/04-2018/ «Вестник «НПО имени С.А. Лавочкина» Иванов Н.Н., Широков И.А. К полёту в стратосфере Земли псевдокосмических аппаратов для длительного непрерывного наблюдения
  9. Müller, Ralph: Styropor Bauteile. Vom ersten Schritt zum fertigen Bauteil. От первого шага до готового компонента. полезная книга для авиамоделиста который использует GFK .
  10. Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника»№5, 2013 Л.А. Дементьева, Н.Ф. Лукина, К.Е. Куцевич.Клеевые препреги на основе тканей Porcher – перспективные материалы для деталей и агрегатов из ПКМ
  11. Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника» №3-4, 2018 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Р.Р. Мухаметов, А.П. Петрова.
  12. https://issuu.com/kompomir/docs/_3_2015_63_web Ощепков М.Ю. Композиты в авиационно-космической промышленности России. Композитный мир, 2010, ноябрь-декабрь. С. 46-49.
Категория: Готовые работы | Добавил: Service (13.01.2019) | Автор: Лохоня Никита Андреевич E W
Просмотров: 96 | Рейтинг: 2.4/9
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
ПРИЁМ ЗАЯВОК ЗАВЕРШЁН!
ТЕСТИРОВАНИЕ ЗАВЕРШЕНО!
ПРИЁМ РАБОТ ЗАВЕРШЁН!

Календарь
Google+
Их многие читают
Чиков Андрей Вячеславович (875)
Кильметов Тимур Динарович (764)
Сёмина Дарья (655)
Ромашкова Екатерина Игоревна (651)
Галеев Руслан Венерович (543)
Морозов Дмитрий (475)
Валько Елена Александровна (449)
Беляков Борис Антонович (381)
Сарваров Матвей Сергеевич (316)
Черкасов Роман Юрьевич (210)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2019