Аэродинамические законцовки на крыльях - винглеты (англ. winglets) - "крылышки", присутствуют у подавляющего большинства современных лайнеров. Этот аэродинамический элемент придаёт самолёту изящность, стремительность, однако их использование - это не дань моде, а способ уменьшить индуктивное сопротивление крыла, повысить топливную эффективность и увеличить дальность полёта лайнера.
При обтекании крыла воздушным потоком возникает разность давлений над крылом и под ним. В середине крыла воздух течёт от передней кромки к задней, ближе к законцовкам картина обтекания меняется - часть воздуха, срываясь с концов крыла, перетекает из зоны повышенного давления в зону пониженного - от нижней поверхности крыла на верхнюю и накладывается на воздушный поток, набегающий на верхнюю часть крыла.
В результате, за концами крыла образуются два вихревых жгута, которые называют спутными струями. Энергия, затрачиваемая на образование этих вихрей, и определяет индуктивное сопротивление крыла.
Индуктивное сопротивление отсутствует у бесконечно длинного крыла, но реальный самолёт такое крыло иметь не может. Для оценки аэродинамического совершенства крыла существует понятие «аэродинамическое качество», - чем оно выше, тем совершеннее самолёт. Улучшить аэродинамическое качество крыла можно, увеличивая его эффективное удлинение - чем длиннее крыло, тем меньше его индуктивное сопротивление, меньше расход топлива, больше дальность полёта.
Сила вихрей зависит от размеров, формы крыла, разницы давлений над верхней и под нижней поверхностями. За тяжёлыми самолётами образуются очень мощные вихревые жгуты, которые сохраняют свою интенсивность на дистанции 10 - 15 км. Они могут представлять опасность для летящего сзади самолёта, особенно когда в вихрь попадает одна консоль. Эти вихри можно легко увидеть, если понаблюдать за приземлением реактивных самолётов. Из-за большой скорости касания посадочной полосы колесная резина горит. В момент приземления за самолётом образуется шлейф пыли и дыма, который мгновенно закручивается в вихрях.
Для преодоления индуктивного сопротивления требуется дополнительная кинетическая энергия двигателя, что увеличивает расход топлива. Уменьшить индуктивное сопротивление и повысить аэродинамическое качество - основной параметр, характеризующий совершенство самолёта, легче всего за счёт увеличения размаха крыла.
Взгляните на крылья самолёта-рекордсмена 30-х годов ХХ века АНТ-25 - длина самолёта составляет 13 метров, а размах крыла - 34! В то время не было предпосылок, да и авиационная наука не предполагала конструкцию крыла с изменённой геометрией концевой части, поэтому для дальних беспосадочных перелётов строились машины с такими длинными крыльями.
Современные условия накладывают свои ограничения на размах крыла, которые определяются конструктивными и эксплуатационными параметрами. Так, например, аэродромная инфраструктура и требования ICAO ограничивают до 36 метров размах крыла у среднемагистрального самолёта. Винглеты позволяют увеличить эффективное удлинение крыла при практически неизменном размахе.
Одним из первых исследователей влияния формы законцовок крыла на аэродинамику самолёта был Ричард Уиткомб - авиационный специалист и инженер НАСА. В начале 70-х годов он сконструировал законцовку, перпендикулярно расположенную вверх и вниз от плоскости крыла, сегодня похожую конструкцию можно увидеть у Airbus A320. Внешне винглеты сильно различаются на разных самолётах, но все они предназначены только для одного - повышение экономической эффективности лайнера.
Установка винглетов даёт дополнительно до 7% экономии топлива. Авиаконструкторы всегда стремились увеличить типовое удлинение крыла - отношение длины к средней хорде. Типовое удлинение крыла у самолётов прошлых поколений составляло коэффициент 8–9, у современных - 10–10,5, а на МС-21 - 11,5. Поэтому, даже без использования винглетов, его композитное крыло большого удлинения, образованное суперкритическими профилями (практически плоская верхняя и выпуклая нижняя поверхности), позволяет на крейсерских скоростях полёта получить аэродинамическое качество на 5-6% лучше, чем у новейших зарубежных аналогов.
Для исследования влияния винглетов на динамику полёта МС-21 в ЦАГИ были спроектированы и испытаны в аэродинамических трубах крылья с аэродинамическими законцовками. Установка винглетов требует значительного усиления конструкции крыла и увеличения его массы. При боковых порывах ветра винглеты создают серьёзную сгибающую и крутящую нагрузки на крыло, существенно увеличивают влияние бокового ветра на самолёт при взлёте и посадке, а также в зонах турбулентности.
В тоже время на начальном этапе проектирования в начале 2000-х винглеты на МС-21 предусматривались (фото макета самолёта в заголовке статьи), т.е., конструкция крыла не позволяла получить требуемую топливную эффективность. Но по мере развития проекта, появления новых материалов и технологий, от них отказались, и именно потому, что МС-21 - это современный и технологичный самолёт с высоким аэродинамическим качеством, не требующим какого-либо изменения геометрии на концах его крыльев.
По мнению заместителя гендиректора ЦАГИ, начальника комплекса аэродинамики и динамики полёта летательных аппаратов Сергея Ляпунова, винглеты - это резерв, который можно использовать на последующих модификациях. Но в настоящее время характеристики и топливная эффективность в крейсерском полёте, которые даёт суперкритическое композитное крыло, достаточны для обеспечения требуемого уровня конкурентоспособности.
Как мы знаем, время выкатки первого экземпляра самолета МС-21, с которым связаны все наши надежды на возрождение российского авиапрома, неумолимо приближается. И наиболее интересным и революционным (для России) в конструкции планера этого самолета является использование так называемого «черного крыла». Несмотря на то, что ведущие западные производители уже решили эту задачу, технология, которую будут использовать в России, существенно отличается от освоенной конкурентами. Чтобы разобраться в особенностях технологического процесса и понять, каковы наши шансы на успех, мы и побывали на 2-х площадках компании «АэроКомпозит» в Москве и Ульяновске.
10 марта 2015 года ЗАО «АэроКомпозит» объявило о создании на базе Опытной лаборатории технологий и конструкций из ПКМ новой испытательной лаборатории для проведения комплекса работ по прочностным и климатическим испытаниям конструктивно-подобных образцов из полимерных композиционных материалов. Кроме этой московской площадки, где с 2011 года проводились исследования композиционных материалов, и отрабатывалась технология изготовления изделий, в 2013-14 годах «Объединённая авиастроительная корпорация» открыла два новых производства: «КАПО-Композит» в столице Татарстана Казани (специализация завода - производство агрегатов механизации крыла и оперения, а также элементов носовой и хвостовой части крыла воздушного судна, изготовленных по автоклавной технологии) и «АэроКомпозит-Ульяновск» - завод по выпуску элементов конструкции воздушных судов из композиционных материалов на основе инфузионной технологии.
«С запуском новой лаборатории мы можем самостоятельно осуществлять испытания изготавливаемой нами продукции на ее различных этапах производства. Это большой плюс, так как появилась независимость от сторонних организаций. Для решения новых задач, стоящих перед компанией, использования на производстве новых материалов отечественного производства, мы планируем существенное дооснащение испытательной лаборатории в течение года», - отметил генеральный директор ЗАО «АэроКомпозит» Анатолий Гайданский.
Генеральный директор ЗАО «АэроКомпозит» Анатолий Гайданский
«Создание лаборатории на первом этапе было обусловлено необходимостью исследования полимерных композиционных материалов и отработкой технологии изготовления, на основе этих материалов, образцов, опытных образцов, а также составление технологической документации и применение полученных результатов на производственных площадках – завод в Казани и завод в Ульяновске. Мы создали лабораторию, которая помогает в запуске проекта “МС-21” и проверке заложенных конструктивных и технологических параметров. Все оборудование, которое было приобретено, изначально предполагало возможность смоделировать все эти технологии, отработать основные направления в работе и изготовить опытные образцы по технологиям», рассказывает начальник Опытной лаборатории технологий и конструкций из ПКМ ЗАО “АэроКомпозит” Алексей Слободинский.
На данном же этапе несколько изменилась и ориентация лаборатории в Москве. Во главу угла встали направления испытательного характера - входной контроль материалов с проведением механических испытаний, испытаний по химии, работа с образцами-спутниками, которые требуются для подтверждения качества самих агрегатов. Поэтому была проведена соответствующая работа по подготовке лаборатории. Прежде всего, по аккредитации этой лаборатории и возможности выполнения всех этих работ в интересах заводов. Такая аккредитация была проведена и в декабре 2014г. испытательная лаборатория получила аттестат аккредитации Авиарегистр МАК, который позволяет выполнять все эти работы.
Начальник опытной лаборатории технологий и конструкций из полимерных композиционных материалов ЗАО “АэроКомпозит”, генеральный директор ЗАО «КАПО-Композит» Алексей Слободинский
Итак, в качестве основного направления была выбрана инфузионная технология. Как я уже упомянул, для России эта технология новая и неизведанная. И, несмотря на то, что в мире она существовала и ранее, ещё никто не использовал её в промышленных масштабах, а тем более для изготовления крупных авиационных конструкций. Эта технология подразумевает использование сухих материалов, как правило, «угольных» и отдельно связующего вещества (смолы). Технология предполагает 2 этапа. На первом этапе изготавливается, так называемая, “преформа” - сухие материалы укладываются на оснастку, формируется герметичный «мешок», из которого откачивается воздух, после чего происходит формование в термопечи. По специально разработанному в лаборатории графику, с определенной скоростью и по определенным параметрам происходит нагрев, выдержка и охлаждение. А на втором этапе собирается уже «боевой мешок» с этой прессованной и сформированной деталью и производится её пропитка смолой за счет вакуума – изделие помещается в специальную печь и «запекается» при температуре. При этом из вакуумного мешка откачивается воздух и одновременно, за счет разряжения происходит равномерное пропитывание смолой.
Это и есть, так называемая, “инфузионная технология”, которую здесь отрабатывают на различных элементах, начиная от самых тоненьких панелей в 3-4-5 слоев и до полномасштабных изделий. «Мы пытались понять, какую толщину панели можем сделать, чтобы она отвечала всем прочностным требованиям. В итоге мы получили панели со стабильными характеристиками от 2 до 25 мм, которые, по расчетным данным, соответствуют всем нормативам», говорит Алексей Слободинский. Помимо изготовления самих панелей и образцов, как таковых, здесь отрабатывают все элементы, которые входят в производственный цикл. Начиная от входного контроля материалов, раскроя материалов с использованием лазерной техники, выкладки преформы, сборки «боевого мешка» и проведение самого цикла инфузии, с использованием термо-инфузионного комплекса.
Материалы на основе углеволокна приходят в рулонах, которые мало чем отличаются от обычной ткани. Здесь установлены лазерные проекторы, которые подсвечивают контуры модели и профессиональные закройщицы раскраивают материал по лазерным лекалам. Далее вручную производится выкладка преформы.
Многие вопросы изначально были очень сложны, так как не было ни практики, ни учебников, и все приходилось делать «с листа». Иностранцы тоже не спешили делиться своими секретами. Например, долго не могли сделать выкладку ткани, чтобы слои материала не рассыпались в разные стороны. В технологии с препрегом, когда волокна материала уже пропитаны связующим веществом, таких проблем нет. В данном же случае материал сухой. «Оказалось, что есть технология глажения утюгом, - рассказывает Слободинский, - мы это увидели на фотографиях, иллюстрирующих публикации в западной прессе по данной теме. Постепенно вышли на нужную технологию выкладки материала, используя утюги с регулируемой температурой нагрева.
Казалось бы, зачем такие сложности, когда есть уже проверенная и подтвержденная технология. Но есть один немаловажный нюанс, влияющий на качество изделия - срок годности материала. Дело в том, что препрег, использующийся при автоклавной технологии, имеет ограниченный срок годности от 9 до 12 месяцев, а сухие материалы имеют значительно больший период хранения. К тому же, сухие материалы хранятся при комнатной температуре, в отличие от препрега, который необходимо хранить в морозильной камере при температуре не ниже минус 18 градусов. И каждый вынос этого материала, размораживание, которое происходит в течение суток, уменьшает срок его годности. Его привозят в морозильных рефрижераторах, сразу ставят в морозильные камеры, соответственно идет учет “времени жизни” этого материала. Это достаточно непростая задача, которая требует жесткого контроля, вплоть до поминутного учета времени до окончания срока использования данного материала. Все это значительно усложняет использование данных материалов и повышает риски получения некондиционного изделия. С инфузионной же технологией ничего этого не требуется. Материалы хранятся без всяких температурных требований просто на складе. А связующее вещество хранится отдельно в морозильной камере в течение 12-14 месяцев.
К тому же, на серийном производстве в «АэроКомпозит-Ульяновск» никакого глажения утюгами нет. Там выкладкой преформы занимается специальный робот, который по определенному алгоритму выкладывает будущие панели крыла из тонких лент, одновременно «припаивая» их к предыдущему слою (см. фото). В результате получается цельное изделие без единого шва и заклепки. Лабораторные испытания и исследования послужили подтверждением правильности выбора инфузионной технологии. В Европе до сих пор не пришли к такому решению, чтобы консоль крыла делать композиционной по этой технологии. В данном случае Ульяновск – первый завод в мире, где применяется инфузионная технология для изготовления силовых конструкций крыла самолета.
Преимущества этой технологии показали и испытания. В итоге, как минимум не проиграли в прочностных характеристиках, а если говорить об экономических и технических показателях, то инфузионная технология дешевле, в том числе и с точки зрения энергоемкости. Автоклав – устройство достаточно сложное, которое требует дополнительного обеспечения безопасности, поскольку там используются высокое давление и высокая температура.
Выкладка нижней панели будущего крыла самолета МС-21 на заводе «АэроКомпозит-Ульяновск»
Анатолий Гайданский в термопечи после завершения процесса инфузии панели-спутника на заводе «АэроКомпозит-Ульяновск»
Но почему же испытательная лаборатория была создана не в Ульяновске, ближе к производству, а в Москве? Дело в том, что лабораторию создавали поближе к тем, кто занимается разработкой, чтобы конструкторы и технологи могли получить ответы на свои вопросы в кратчайшие сроки, которые их интересуют. Так оно и происходит! Прочнисты, например, находятся в постоянном взаимодействии со специалистами испытательной лаборатории – они закладывают данные и хотят получить результат. То есть, уже через сутки можно получить результат. Это значительно ускорило темпы разработки и освоения технологии. «Даже иностранцы, с которыми мы совместно работали, прежде всего, поставщики материалов, были поражены нашим темпом движения», - рассказывает Слободинский.
В лаборатории работают 23 человека. Большинство (20 чел) – это люди с высшим образованием, закончившие МАИ, МАТИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана. Это основные наши специалисты. Мало того, требования, которые предъявляет АРМАК по аккредитации лаборатории, подразумевают специальную квалификацию специалистов. Все сотрудники прошли курс подготовки и получили сертификаты на право проведения тех или иных испытаний. Проверка АРМАК показала высокий уровень знаний, умений, практических навыков.
Оборудование испытательной лаборатории состоит из различных испытательных стендов и дополнительного сопроводительного оборудования: 1.Испытательные стенды (нагрузка 25 и 60 тонн). На них проводятся испытания по разным стандартам - на сдвиг, растяжение, разрыв и др. 2.Копёр – машина для испытания на удар. 3.Климатическая камера – используется для создания длительного воздействия окружающей среды (температура, влажность) на образцы перед испытанием. 4.Испытательный стенд (нагрузка 25 тонн) имеет возможность создавать условия климатического воздействия (температура, влажность) во время испытания. 5.Приборы для проведения ультразвукового контроля с различными диапазонами измерения. Инвестиции в проект составили около 30 млн. рублей. Оборудование стоит самое современное, которое используется и в Европе.
"Все стандарты, которые мы выдерживаем, как европейского плана, например, по проекту Sukhoi SuperJet 100, так и требования российских стандартов, заложенных в проекте МС-21, выполняются. Методики отработаны, работа с оборудованием отработана и идет полномасштабная испытательная работа лаборатории". говорит Алексей Слободинский.
Лаборатория также занимается и вопросами разработки методик ремонта агрегатов из композиционных материалов, в том числе и в полевых условиях. Для выполнения ремонта в полевых условиях имеется универсальный мобильный комплекс, который не требует больших энергетических затрат. Это одновременно и устройство ультразвукового неразрушающего контроля, и мобильная печь для локального ремонта, в том числе и без демонтажа агрегата. В будущем, а такие работы уже ведутся, в крыло самолета будут вмонтированы оптоволоконные датчики, которые в режиме реального времени будут фиксировать все нештатные ситуации и контролировать состояние конструкции.
Универсальный мобильный комплекс для диагностики и проведения полевого ремонта композиционных материалов
Одно из направлений исследований - обработка изделий на 5-ти координатных фрезерных центрах, чтобы понять возможные режимы резания, подобрать оптимальный инструмент для резания, поскольку это не привычный металл, а композит, требующий особых условий обработки. От правильно подобранного режима будет зависеть и качество полученного изделия.
После отработки все эти технологии передаются на заводы в Казань и Ульяновск. Прежде всего, в Ульяновск, поскольку инфузионные технологии там используются для сборки консоли крыла и центроплана МС-21. В Казани также, наряду с использованием традиционной автоклавной технологии для изготовления агрегатов и панелей, используют и инфузионную технологию для изготовления своих композиционных оснасток. Только оно происходит, в отличие от деталей, производимых в Ульяновске, при комнатной температуре, а не в печи. Хотя температура тоже несколько повышена. На «КАПО-Композит» работы идут в двух направлениях: МС-21 и Sukhoi SuperJet 100. Для МС-21 Казань готовит всю механизацию: носовая, хвостовая часть крыла, лобовики носовые, малые агрегаты, элероны, закрылки, законцовки крыла, рули высоты и рули направления.
Задний лонжерон, изготовленный на заводе «АэроКомпозит-Ульяновск», который будет установлен на первый экземпляр самолета МС-21
«МС-21 это первый самолет в нашей гражданской авиации с широким использованием композиционных материалов. Применение этих материалов создает значительные преимущества по сравнению с алюминием в первую очередь в области аэродинамики. Применение композитного крыла дает значительный эффект в улучшении топливной эффективности за счет более совершенной геометрии крыла и уменьшения аэродинамического сопротивления. Ну и улучшение весовых характеристик. Сборка крыла и центроплана уже начата. В течение лета этого года мы их сдадим на «Иркут» для сборки первого самолета, который планируется выкатить в конце 2015 года (в августе планируется специальная программа и презентация стыковки крыла в рамках авиасалона МАКС-2015). Все наши заводы построены с нуля. Это совершенно уникальные технологии, которые разработаны нашей компанией», - говорит генеральный директор ЗАО «АэроКомпозит» Анатолий Гайданский.
Сборка центроплана первого самолета МС-21 на «АэроКомпозит-Ульяновск» (верхняя и нижняя панели изготовлены из композиционных материалов
Крыло самолета МС-21 состоит из 9 тысяч деталей. В настоящее время в Ульяновске устанавливается уникальная линия по сборке крыла, которое будет выходить с завода с полностью установленной механизацией и всей необходимой «начинкой». Вообще говоря, работников «АэроКомпозит-Ульяновск» для такого большого завода совсем не много. Секрет в том, что это царство робототехники. На большинстве постов работники являются операторами и контролерами. Несомненно, без ручного труда не обойтись, но это, в основном, работы по установке, снятию или транспортировке изделий, да и то чаще всего с помощью специальных приспособлений. Основные же, самые ответственные операции, выполняют роботы.
Ровно 3 месяца назад, 28 мая 2017 года, совершил свой первый полёт российский ближне-среднемагистральный среднефюзеляжный пассажирский самолёт МС-21 "Иркут". Он успешно отлетал полчаса и на этот год уже запланировано начало серийного производства. Вроде бы всё обычно, но только с первого взгляда. МС-21 не зря расшифровывается как "Магистральный самолёт XXI века". Сейчас я вам расскажу, что необычного в этом самолёте.
Автор: Denis Fedorko - http://russianplanes.net/id210229
Ноги, крылья... Главное — хвост!
Самое необычное в МС-21 — крылья и несколько других деталей силовой конструкции. Они изготовлены из полимерных композитных материалов (ПКМ). В мире сегодня существует только три самолёта с такими крыльями: Boeing 787 Dreamliner, Airbus A350 XWB и Bombardier CSeries.
ПКМ — это несколько слоёв углеволокна, скреплённого между собой специальной смолой. Чем же так хорош этот материал? Во-первых, прочность углепластиков выше чем у алюминия в 6-8 раз, а удельный вес — ниже в 1,5 раза. Использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. Во-вторых, крыло самолёта из ПКМ условно состоит из 10 элементов, а из металла — из 100. Можно понять, монтаж какого крыла обходится дороже.
Производят такие крепкие и ультрасовременные крылья для МС-21 в Ульяновске. Завод называется "АэроКомпозит" и находится на территории "Авиастара". Давайте заглянем за проходные и посмотрим, как выглядит это производство.
Первое, что поражает — это огромные и стерильно чистые цеха! Производство углепластика не терпит грязи, ведь попадание инородных включений в массу грозит снижением прочности всей конструкции крыла.
Как это сделано?
Процесс изготовления кессона крыла состоит из нескольких этапов. Сначала подготавливается поверхность нужной формы, на которую будет выложено углеволокно. На "АэроКомпозите" из ПКМ могут сделать элероны, спойлеры, закрылки, рули высоты и направления, лонжероны и обшивку крыла со стрингерами, секции панелей центроплана, силовые элементы, обшивку киля и хвостового оперения.
Вот так выглядит оснастка для выкладки одной из деталей силовой конструкции МС-21:
Тяжёлые конструкции оснастки транспортируются к месту выкладки на специальных платформах. К примеру, для перевозки оснастки для будущего стрингера задействуют две таких тележки.
Следующий этап — выкладка сухой углеродной ленты и предварительное формование детали в автоматическом режиме на выкладочной оснастке. Для выкладки используется роботизированный испанский комплекс MTorres.
Он немного напоминает GLaDOS из компьютерных игр Portal и Portal 2.
Этот робот с высокой точностью укладывает волокно к волокну, формируя слои будущей конструкции.
Автоматическую выкладку сухого углеволокна для изготовления крупных интегральных конструкций никто никогда в авиапромышленности не применял. Такое крупное и сложное изделие, как крыло самолёта, по этой технологии впервые сделали в Ульяновске.
Собранная преформа уезжает в термоинфузионную установку TIAC (Франция). Это большая камера, в которой углеволокно пропитывается эпоксидной смолой и запекается. Установка контролирует температуру, количество смолы и скорость заполнения вакуумного мешка, в который помещается углеволокно.
Этот процесс может занимать от 5 до 30 часов в зависимости от типа, размера и сложности изготавливаемой детали. Процесс полимеризации смолы и волокна проходит при температуре 180°С.
На выходе из TIAC получается монолитная деталь.
Её необходимо механически обработать.
Но до начала обработки нужно убедиться, что деталь действительно является монолитной и не содержит в себе пустоты и дефекты. Для этого она отправляется на пункт неразрущающего ультразвукового контроля Technatom.
Крыло получилось качественным — отправляем его на механическую обработку в 5-координатный фрезерный центр MTorres.
После обработки готовая деталь поступает на участок итоговой сборки кессона крыла.
В этой части завода используется больше ручной труд, чем автоматический. Здесь гораздо больше людей, тогда как на других участках их почти нет — вся работа выполняется роботами. А всего на заводе работает около 500 человек. Несмотря на постоянно открытые вакансии, устроиться сюда не очень просто — каждый кандидат проходит тщательную проверку.
Летаем на композите
Композитные крылья будут использоваться не только на МС-21. Планируется, что новые модификации SSJ-100 так же будут оснащаться силовыми деталями из ПКМ. Мощности завода рассчитаны на выпуск до 100 комплектов композитных крыльев в год, но на текущий момент загружены не полностью.
Что ж, ждём первый серийный образец МС-21!
Хотели бы покататься на первом российском самолёте с композитными крыльями?
Нового пассажирского самолета МС-21. После завершения испытания и начала серийного производства он станет первым российским среднемагистральным пассажирским самолетом и первым в мире узкофюзеляжным лайнером, имеющим крыло из композиционных материалов. Корреспондент N+1 побывал в Опытной лаборатории технологий и конструкций из полимерных композиционных материалов компании «АэроКомпозит», где разрабатывались и проверялись технологии «черного» крыла для МС-21, выпускались демонстрационные образцы и проводились различные испытания.
Создание МС-21 ведется с первой половины 2000-х годов. Разработчики полагают, что на мировом рынке лайнер сможет конкурировать с американскими узкофюзеляжными Boeing 737 MAX и европейскими Airbus A320neo. В зависимости от конфигурации российский самолет сможет перевозить от 150 до 210 пассажиров. Дальность его полета составит более пяти тысяч километров, а скорость полета - около 870 километров в час. Одна из комплектаций МС-21 получит новые турбовентиляторные двигатели , первые за последние почти 30 лет новые российские силовые установки. В своем классе лайнер получил самый широкий фюзеляж. Его ширина составляет 4,06 метра.
Крыло, верхние и нижние панели которого полностью изготовлены из сухой углеродной ленты и полимерного связующего, является, пожалуй, одним из самых интересных элементов конструкции МС-21. С использованием композитов в конструкции крыла разные авиаразработчики экспериментировали относительно давно. В 1990-х годах такие исследования вела, например, канадская Bombardier. Композитное крыло получил американский широкофюзеляжный пассажирский самолет Boeing 787 Dreamliner и европейский сверхширокофюзеляжный лайнер Airbus A350 XWB. В поиске ключа к дальним, комфортным, эффективным и экономичным полетам композиционные материалы играют важную роль.
Композитные детали по своей прочности соответствуют современным авиационным сплавам, а иногда даже и превосходят их. При этом использование углеродного наполнителя и полимерного связующего позволяет сделать такие детали легче металлических аналогов, а значит и уменьшить массу пустого самолета. Дальше работает относительно простая цепочка - более легкие, но прочные, элементы конструкции самолета позволяют устанавливать в него больше бортового оборудования или уменьшать потребление топлива в полете в зависимости от поставленной перед конструктором задачи. Грубо говоря, сэкономив полтонны благодаря композитам, можно добавить новые системы такой же массы.
Выкатка лайнера МС-21
Еще одним преимуществом углепластиковых композитных деталей является их устойчивость к распространению повреждений. Например, при ударе по такой детали, область повреждений будет ограничена. В ее пределах при эксплуатации может произойти разрушение, но оно не распространится дальше по детали. Благодаря этому же качеству композитные детали имеют больший ресурс, чем металлические. Дело в том, что по мере разрушения внутри детали снимается конструкционное напряжение. Когда оно становится равным нулю, разрушение останавливается. С учетом многослойности такая самоостановка разрушения - качество очень ценное.
В зависимости от того, где будут использоваться те или иные детали, применяются и разные технологии их производства из композиционных материалов: от банальный заливки смеси эпоксидки с углеволокном в заранее подготовленную форму до сложной кропотливой выкладки из препрегов , то есть заранее пропитанной связующим углеткани, с последующим «выпеканием» в огромных автоклавах при заданной температуре определенное время. Из препрегов, например, создают различные элементы фюзеляжа . Крыло МС-21 выполнено по методу вакуумной инфузии. Иначе ее иногда называют безавтоклавной, хотя применительно к ней этот термин не совсем корректен.
Упрощенно производство композитных элементов методом вакуумной инфузии выглядит так: из углеткани по выкройкам вырезаются детали, затем на специальной оснастке они выкладываются слоями, упаковываются в специальный пакет, из которого затем откачивается воздух и в который постепенно подается полимерное связующее. Затем деталь «выпекается» при определенной температуре, требуемой для качественного отверждения того или иного связующего материала. По такой технологии, например, изготовлен корпус тральщика нового поколения «Александр Обухов», головного корабля проекта 12700, сегодня .
Марина Лысцева / ОАК
Методом вакуумной инфузии изготавливаются композитные детали для крыла МС-21. Работы по проекту «черного» крыла для нового российского лайнера начались во второй половине 2000-х годов, когда была создана компания «АэроКомпозит». Эта компания совместно с несколькими иностранными фирмами занималась исследованиями на этапе выбора полимерных композиционных материалов для проекта МС-21, а также подбором технологии и изготовлением первых конструктивно подобных образцов.
В июле 2011 года компания создала Опытную лабораторию технологий и конструкций из полимерных композиционных материалов. Лаборатория отвечала за исследование полимерных композиционных материалов, отработку технологии изготовления опытных образцов элементов конструкции с использованием новых материалов, а также проверку заложенных конструктивных и технологических параметров. Специалисты лаборатории отвечали и за подготовку технологической документации для производства. В августе 2011 года лаборатория уже создала первый простой опытный композитный образец.
В целом лаборатория включает в себя несколько участков. В первом производится раскройка углеткани и различных слоевых заполнителей по лекалам. Они выводятся на раскроечный стол при помощи специальных лазерных проекторов. Для изготовления композитных элементов крыла МС-21 в лаборатории использовалась ткань, в которой углеволокно не переплеталось и небольшими полосками была скреплена в единое полотно при помощи полимерной нити. Благодаря тому, что волокно не переплетается, оно практически не имеет механических повреждений, сказывающихся на прочности детали.
Раскройка углеткани
Марина Лысцева / ОАК
Вакуумирование и «выпекание» деталей
Марина Лысцева / ОАК
На этом этапе раскраивают не только углеткань, но и различные вспомогательные слои, включая вакуумные пленки, в которые запечатываются сформованные детали и так называемые жертвенные слои. Эти слои помещаются между деталью и вакуумной пленкой и позволяют отделить последнюю от готового изделия уже после «выпекания». Все слои затем накладываются друг на друга на специальной оснастке - приспособлении, позволяющем задавать нужную форму детали. В готовом элементе количество слоев углеткани может варьироваться от нескольких единиц до четырех десятков в зависимости от требуемой прочности.
Выложенные слои, среди которых есть и сетки, помогающие равномерному распределению связующего, на оснастке запечатываются в специальный конверт с разных сторон к которому подведены трубки. По одним откачивается воздух, по другим подается связующее. Полимерную смолу для композитного крыла МС-21 разрабатывали специально. Это однокомпонентное связующее, отверждаемое во время «выпекания» в печи до 20 часов при температуре 170-180 градусов Цельсия. Само связующее хранят в специальных холодильниках при температуре минус 18 градусов Цельсия.
В целом метод вакуумной инфузии относительно прост. По словам главного технолога «АэроКомпозит-Ульяновск» Алексея Ульянова, он позволяет изготавливать детали быстро, относительно дешево и без жесткой привязки к срокам хранения материалов. В частности, препреги хранятся в среднем 30 суток с момента производства. И за это время необходимо успеть выложить все необходимые детали конструкции. С этой точки зрения вакуумная инфузия позволяет не торопиться - углеткань и связующее по отдельности хранятся очень долго. Ульянов с самого начала занимался разработкой метода вакуумной инфузии применительно к силовым длинномерным элементам конструкции консоли крыла самолета.
Марина Лысцева / ОАК
Производство же деталей из препрегов - довольно трудоемкий процесс. Пропитанную связующим ткань необходимо выкроить по лекалам и затем отпозиционировать все слои на оснастке. При выкладывании слоев необходимо «выгонять» мельчайшие пузырьки воздуха, образующиеся между ними, которые могут привести к возникновению каверн в деталях и снижению их прочности. Собранные из слоев препрегов элементы «выпекаются» в специальных автоклавах под большим давлением, которое может достигать шести атмосфер. При автоклавном методе каждая деталь «выпекается» отдельно. Затем они собираются вместе и проходят повторное «выпекание».
Именно так собираются панели для крыльев B787 и A350 XWB. Стрингеры выпускаются отдельно, а сами панели отдельно, а затем составляются в единую конструкцию. В этом случае граница раздела между полимерной поверхностью одной детали и поверхностью другой сохраняется, а значит весь элемент получается чуть менее прочным. Метод вакуумной инфузии позволяет изготавливать интегральные элементы: стрингеры и панели выкладываются из углеволокна отдельно, но на специальной оснастке заливаются связующим уже совместно. Так получается единая деталь, которую после механической обработки можно ставить на самолет.
Выкладывание панели крыла на оснастке
Марина Лысцева / ОАК
Панель крыла и стрингеры
Марина Лысцева / ОАК
В авиации активно развивалась именно автоклавная технология, просто потому что, долгое время не существовало подходящих по характеристикам связующих, пригодных для вакуумной инфузии. Они появились только во второй половине 1990-х годов. По этой причине выкладка деталей из препрегов уже хорошо освоена. Airbus и Boeing выпускают очень большое количество самолетов и располагают большим количеством заказов на новые самолеты. В таких условиях цена ошибки при внедрении новой технологии очень высока. Во многом по этой причине компании решили придерживаться проверенной технологии препрегов.
С этой точки зрения Объединенная авиастроительная корпорация, занимающаяся разработкой МС-21, оказалась в выгодном положении. Большого портфеля заказов на еще не созданный самолет не было, не нужно было спешить с выпуском серийных самолетов, словом, никто не торопил и было время на изучение новой технологии. Были проведены и исследования совместимости материалов в конструкции крыла. Крыло МС-21 состоит из почти девяти тысяч различных деталей. В численном отношении доля композитных элементов не велика - около 30 процентов. По массе же они составляют около 65 процентов крыла. Элементы крепятся и между собой, и с другими элементами.
В лаборатории проводятся и испытания различного крепежа для композитных деталей. Например, в большинстве случаев для крепления элементов из углепластика нельзя использовать алюминиевый крепеж. Дело в том, что пропитанная связующим углеткань и алюминиевые, например, заклепки образуют гальваническую пару , в которой алюминий очень быстро «закисает». Однако если в детали добавить несколько слоев углеткани, то гальваническая пара разрушается, но сама деталь становится крупнее и тяжелее. Чтобы избежать коррозии, крепление композитных деталей производят при помощи титана.
Марина Лысцева / ОАК
По итогам исследований в Ульяновске открылось производство «АэроКомпозит-Ульяновск». Там сегодня при помощи роботов изготавливаются «черные» крылья МС-21. К слову, при окраске МС-21 к выкатке корпорация «Иркут» специально оставила неокрашенными несколько участков крыла лайнера; чтобы было видно, что оно действительно черное. Московская опытная лаборатория сегодня, получив соответствующую государственную аккредитацию, занимается испытанием образцов-спутников. Полученные в результате проверок данные будут использоваться для сопровождения наземных и летных испытаний нового российского лайнера.
Образцы-спутники - это образцы деталей, изготовленных на заводе, из которых нарезают небольшие элементы - образцы-свидетели. Такие вот элементы проходят несколько циклов испытаний. Благодаря проверкам определяются качество и характеристики композитных деталей. Для этого в Опытной лаборатории действует Испытательная лаборатория материалов и полимерных композиционных материалов и Физико-химическая лаборатория. В ней элементы испытывают на сдвиг слоев, растяжение, сжатие, разрыв. Для этого у испытательной лаборатории есть специальные машины, способные обеспечивать нагрузку от 25 до 60 тонн. Есть стенд для динамических испытаний образцов.
