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
Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника», №1, 2015Н.А. Кузьмина. « ВИАМ – ОТ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИИ XX ВЕКА К ИНДУСТРИАЛИЗАЦИИ XXI ВЕКА»
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.
Комиссар О.Н.. Композиционные материалы и технологии для аэрокосмической промышленности. Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника», №4, 2013. С. 1-4.
http://new.laspace.ru/company/history/propeller/lagg-3/ работы музея самолет лагг-3
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…
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
Müller, Ralph: Styropor Bauteile. Vom ersten Schritt zum fertigen Bauteil. От первого шага до готового компонента. полезная книга для авиамоделиста который использует GFK .
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
Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника» №3-4, 2018 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Р.Р. Мухаметов, А.П. Петрова.
