Композитные материалы и технологии в российской авиации будущего

Share on VKShare on FacebookShare on Google+Tweet about this on TwitterShare on LinkedIn

Ведущие российские научные организации авиационной отрасли — ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИАС, ГкНИПАС, СибНИА, ЛИИ, ВИАМ, ГосНИИ ГА, НИИСУ, НИИАО, НИАТ – в рамках нового подхода к формированию научно-технического задела в области авиации разработали ФОРСАЙТ РАЗВИТИЯ АВИАЦИОННОЙ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ ДО 2030 ГОДА и дальнейшую перспективу. Анализирующий вклад отечественной авиационной науки в развитие авиационных технологий, документ отмечает также развитие отечественной композитной отрасли для решения задач авиационной отрасли.

 

Облик авиационных конструкций является компромиссом между требованиями к авиаконструкциям по безопасности, экологии и экономической эффективности и существующими техническими возможностями, определяемыми свойствами конструкционных материалов, технологией производства авиаконструкций и уровнем проектирования. В настоящее время, работая над повышением авиатранспортной эффективности (величина, обратная стоимости перевозки одного пассажира на 1 км, при обеспечении соответствующего уровня комфорта, а также требований по безопасности и экологии), мировая авиаиндустрия активно переходит от металлических конструкций к новому типу конструктивных решений на основе композиционных материалов.
Рисунок – Основные этапы развития компоновочных схем гражданских самолетов

 

Дальнейшее повышение транспортной эффективности будет обеспечиваться внедрением в силовую конструкцию планера новых волокнистых композиционных материалов с высокими удельными прочностными характеристиками. К примеру, предел прочности современных угольных волокон превышает величину sпред=500 кгс/мм2, что на порядок выше предельных прочностных характеристик современных авиационных алюминиевых сплавов, тогда как удельный вес волокон почти в два раза ниже, чем у этих сплавов.

Однако составители форсайта отмечают, что разработка и создание композитных авиаконструкций (на 2013 год) характеризуются недостаточной эффективностью использования потенциально высоких удельных свойств современных угольных и других органических волокон в высоконагруженных силовых авиаконструкциях. Трудности возникают из-за низких прочностных и эластичных характеристик современных связующих по отношению к характеристикам волокон (наполнителя), что не позволяет в рамках современных многослойных композиционных материалов реализовать даже 20-25% от предельных прочностных характеристик для волокон в составе квазиизотропной обшивки. Таким образом композитная технология «Black metal», предполагающая лишь замену конструкционного материала при неизменной конструктивно-технологической схеме планера, оказалась малоэффективной. ЦАГИ на базе своих исследований отмечает, что для успешной реализации данной технологии характеристики связующего должны быть улучшены как минимум в 2‑2.5 раза по сравнению с существующим уровнем, что возможно лишь в долгосрочной перспективе.

В то же время 50% улучшение механических свойств связующих становится возможным получение эффективных по весу и стоимости авиаконструкций в рамках так называемых «про-композитных» или «гибридных» конструктивно-силовых схем. Это сетчатые и балочные КСС (рисунок ниже), где основными силовыми элементами являются не подкрепленные панели, а система массивных ребер, интегрированных с металлическими частями. Ребра воспринимают глобальные нагрузки от сжатия, растяжения, изгиба и кручения, в то время как сосредоточенные нагрузки, нагрузки в стыковочных узлах воспринимают металлические конструкции. Что касается внутреннего наддува, то для этих КСС нагрузки от внутреннего давления могут восприниматься как металлическими конструктивными элементами, так и эластичными пластиками, приспособленными к восприятию растягивающих усилий.

Рисунок – «Гибридная» конструкция гермоотсека фюзеляжа для самолета 2040 2050 гг. (представлено Airbus)

Рисунок – «Гибридная» конструкция гермоотсека фюзеляжа для самолета 2040‑2050 гг. (представлено Airbus)

 

В форсайте указывается, что будут разработаны гибридные, активно управляемые и преобразуемые КСС с высокой степенью адаптации к режимам полета. Они могут быть эффективными для конструкции крыла большого удлинения, а также для конструкции «летающего крыла», которые в среднесрочной перспективе могут быть базовыми вариантами для конструкций гражданских самолетов. Получат распространение активные системы снижения нагруженности планера летательных аппаратов в эксплуатации, встроенные системы контроля состояния конструкции. Это, в свою очередь, потребует новых достижений в области адаптроники, аэроупругости, отказобезопасности авиаконструкций.

Новые материалы и конструктивно-технологические решения ожидаются при создании «горячих», теплозащищенных и охлаждаемых конструкций планера сверх- и гиперзвуковых самолетов. Будут разработаны КСС и термокомпенсационные мероприятия, обеспечивающие прочность с учетом тепловых нагрузок при минимальных весовых затратах.

Реализация данных тенденций должна обеспечиться созданием блока инновационных решений и рекомендаций по проектированию конструкций перспективных компоновок ЛА с использованием новых инновационных технологических решений: композитные, малостыковые, деформируемые и адаптируемые к условиям полета упругие конструкции крыла, органов управления, оперения и фюзеляжа, активное шасси, сварные соединения и металло-композитные стыки.

В рамках развития авиационной науки и технологий одним из перспективных направлений рассматривается внедрение новых материалов и технологий их производства, на что подтверждает мировая практика инновационных разработок в ведущих областях промышленности. Базисом в создании новых материалов должны стать результаты фундаментальных и фундаментально-ориентированных исследований отраслевых научно-исследовательских организаций и институтов Российской академии наук. При этом, как отмечается в форсайте, исследования будут основываться на неразрывности материалов, технологий и конструкций, а также реализации полного жизненного цикла от создания материала до его эксплуатации в конструкции, диагностики, ремонте и утилизации.

Среди стратегических направлений развития материалов:

  1. Композиционные и керамические материалы нового поколения. В основе данных материалов исследования процессов избирательной сорбции компонентов связующих на поверхности волокон, механизмов структуро — и фазообразования на границе раздела и межволоконном пространстве, продвижения и распределения нанообъектов в энергетически неравновесных зонах структуры, обеспечивающих залечивание дефектов на нано- и мезоуровнях, накопления повреждений, деградации и разрушения при различных видах воздействия и сред в процессе эксплуатации.
  2. Металломатричные композиционные материалы на основе легких сплавов с пониженной на 15% плотностью, повышенной на 30% удельной прочностью и рабочей температурой до 450 С применительно к конструкциям перспективных космических аппаратов.
  3. Новые полимерные основы и связующие для композиционных материалов, в т.ч. термостойкие, высокодеформативные с повышенной стойкостью к ударным нагрузкам, обладающие функциями самозалечивания, механохромными свойствами и модифицированными наночастицами.
  4. Высокопрочные и высокомодульные конструкционные и функциональные композиты, в т.ч. гибридного типа на основе различных текстурных и мультиаксиальных текстильных форм с высокими физико-механическими характеристиками, сопротивлением к статическим, повторно-статическим, динамическим нагрузкам, климатическим воздействиям и биоповреждению;
  5. Технологии прогнозирования свойств, моделирования и реализации современных процессов конструирования и производства изделий из неметаллических и композиционных материалов с использованием цифровых методов, совместимых с CAD/CAM/CAE и PLM системами, включая разработку методов моделирования и создание алгоритмов расчета, определяющего взаимосвязь «состав — технология — свойства», как на протяжении технологического, так и жизненного цикла материала в изделии.
  6. Междисциплинарные исследования в области новых материалов, нано- и IT-технологий, когнитивных и биотехнологий, направленные на изучение «устройства» и возможностей биологических объектов с целью их копирования в виде модельных технических систем на базе новых материалов; соединение современных технологических возможностей с достижениями в области познания живой природы (нано-биотехнологии); создание технологий атомно-молекулярного конструирования и самоорганизации на основе атомов и биоорганических молекул, а также разработку гибридных андроидных, интеллектуальных материалов нового поколения, в т.ч. бионического и нейронного типов.

 

Развивая эти и другие стратегические направления в области разработки новых материалов и технологий, разработчики перспективных самолетов, вертолетов, авиационных двигателей и агрегатов смогут обеспечить:

  • увеличение ресурса конструкций планера до 80 тысяч и более летных часов с увеличением межремонтных сроков до 20 лет, и ресурса двигателя до 0,5 — 1 ресурса планера;
  • 30-процентное снижение массы конструкций планера и двигателя;
  • сокращение до 50% стоимости и затрат на ремонт и восстановление конструкций, а также двукратное снижение трудоемкости техобслуживания;
  • повышение до 90% объема отечественных материалов в планере и двигателе гражданских летательных аппаратов и до 100% — в военной авиационной технике;
  • создание гражданских летательных аппаратов, работающих при скоростях от 5 до 15 чисел Маха, включая развитие проекта по гиперзвуковому прямоточному воздушно-реактивному двигателю;
  • повышение безопасности полета за счет снижения влагонасыщения полимерных композиционных материалов, повышения их ударо- и молниестойкости.

Другие новости