Композитные материалы в авиастроении
Композитные материалы представляют собой сложные структуры, состоящие из различных компонентов, которые в совокупности образуют новую, функционально значимую субстанцию. Они включают в себя матрицу, выполняющую функцию связующего элемента, и армирующие наполнители, обеспечивающие необходимые механические свойства. В качестве матрицы могут использоваться полимеры, такие как термопласты и термореактивные смолы, а в качестве армирующих элементов — углеродные или стеклянные волокна. Благодаря уникальным свойствам, таким как высокая прочность при относительно низкой плотности, композитные материалы находят широкое применение в авиационной промышленности, повышая эксплуатационные характеристики воздушных судов.
Внедрение композитных материалов в конструкцию авиационной техники началось в 1960-х годах. Примером масштабного использования композитов является самолет Boeing 787 Dreamliner, где из композитных материалов выполнено около половины общей массы конструкции. В российских авиалайнерах, таких как Ту-204 и Sukhoi Superjet 100, также применяются композитные материалы, хотя и в меньших объемах. Однако, наиболее значительным примером является самолет МС-21, в котором композитные материалы составляют 40% конструкции. Это первый российский самолет с полностью композитным крылом, что позволяет ему достигать высоких аэродинамических характеристик и снижает эксплуатационные расходы.
Ранее считалось, что композитные материалы пригодны исключительно для использования в крупногабаритных воздушных судах. Однако проект МС-21 продемонстрировал их эффективность и экономическую целесообразность при применении в среднемагистральных самолетах.
«Чёрное крыло» для российских самолетов
При проектировании самолетов стремятся увеличить длину крыльев для снижения аэродинамического сопротивления и повышения топливной экономичности. Однако традиционные алюминиевые крылья, при увеличении длины, становятся слишком тяжелыми и подвержены риску разрушения, что ограничивает их максимальную длину. Композитные материалы, такие как углепластики, позволяют создавать более легкие и прочные конструкции крыльев. В самолете МС-21 композитное крыло имеет длину 11,5 метров, что является нетипичным для самолетов данного класса.
Композитное крыло, из-за своих оптических характеристик, получило неофициальное название «чёрное крыло». Использование таких крыльев способствует снижению расхода топлива. Например, самолет с алюминиевым крылом в течение своего жизненного цикла потребляет около 140 тысяч тонн топлива, в то время как МС-21 с композитным крылом сможет сэкономить 11 тысяч тонн топлива. Кроме того, композитные крылья позволяют увеличить скорость и высоту полета.
Экономическая целесообразность использования композитов
Несмотря на то, что композитные материалы являются более дорогостоящими по сравнению с традиционными металлическими сплавами, их применение в авиастроении экономически оправдано. Оптимизация технологического процесса производства композитных деталей позволяет снизить общую стоимость самолета.
Существуют два основных метода производства композитных изделий: автоклавный и инфузионный. Автоклавный метод предполагает последовательное наложение слоев углепластика на алюминиевую основу с последующим размещением в автоклаве, где под воздействием высокого давления и температуры формируется монолитная деталь.
Инфузионный метод позволяет изготавливать сложные конструкции, такие как панели крыльев, в один этап, без использования автоклава, что снижает производственные затраты. Впервые этот метод был применен на заводе «АэроКомпозит-Ульяновск» для производства композитного крыла самолета МС-21. Все компоненты крыла изготавливаются на данном предприятии, после чего транспортируются в Иркутск для окончательной сборки самолета.
30 ноября 2021 года был завершен первый полет самолета МС-21-300 с полностью композитным крылом, произведенного в России. Это событие свидетельствует о высоком уровне технологического развития отечественного авиастроения и эффективности применения композитных материалов в авиационной технике.
