Наразі композитні матеріали стали однією з чотирьох основних систем матеріалів поряд із металевими матеріалами, полімерними матеріалами та неорганічними не-металевими матеріалами. Рівень промисловості композиційних матеріалів країни став ключовим показником її науково-технічної та економічної потужності. Сучасні композитні матеріали є джерелом конкурентних переваг для національної безпеки та економіки. Прогнозується, що до 2020 року тільки композитні матеріали матимуть потенціал для підвищення ефективності на 20–25%.
1. Застосування в конструкціях фюзеляжу літаків
Удосконалені композитні матеріали використовуються для виготовлення основних{0}}несучих конструкцій та вторинних{1}}несучих конструкцій, що забезпечує жорсткість і міцність, порівнянну з алюмінієвими сплавами або навіть більшу. Зараз ці матеріали широко застосовуються у виробництві конструкцій фюзеляжу літаків і інтегрованих конструкцій малих безпілотних літальних апаратів (БПЛА). Сполучені Штати широко застосовують композити у винищувачах і бойових літаках. У 1960-х роках США вперше застосували пластик, армований вуглецевим волокном- (CFRP) у військових літаках для таких компонентів, як двері кабіни, панелі доступу, обтічники та поверхні керування (наприклад, елерони та рулі) з низьким або вимоги до-несучих-навантажень. На початку 1980-х років композити розвинулися в хвостових компонентах, таких як вертикальні та горизонтальні стабілізатори (вторинні{15}}несучі конструкції), як це можна побачити в таких літаках, як F-15, F-16, F-18, Mirage 2000 і Mirage 4000. Протягом цього етапу використання композитів залишалося обмеженим. Наприкінці 1980-х винищувачі четвертого покоління, такі як F-22 і F-35 JSF, почали включати композити в основні несучі конструкції, такі як крила та фюзеляжі, прискорюючи інтеграцію композитів у військові літаки. Використання композитних матеріалів продовжує збільшуватися (Таблиця 1-2), тепер вони становлять 20%–50% маси конструкції в сучасних військових літаках.
Британська компанія ICI використовувала GF/PA (ймовірно, армований скловолокном-поліамід) для виробництва клапанів для винищувачів, гарантуючи, що ці клапани зберігають продуктивність і стабільність розмірів навіть після тривалого впливу палива в широкому діапазоні температур. Du Pont також використовував такі матеріали, як GF, KF/PA та PPS (поліфеніленсульфід) для виробництва компонентів для військових літаків.
На прикладі винищувача четвертого-покоління F/A-22 композити становлять 24,2% його конструкційних матеріалів. Серед них термореактивні композити складають 23,8%, а термопластичні композити складають приблизно 0,4%. Близько 70% термореактивних композитів засновані на смолі бісмалеімід (BMI), яка використовується для виробництва понад 200 типів складних компонентів. Решта термореактивних матеріалів в основному складаються з композитів на основі-епоксидної смоли з додатковим використанням ефіру ціанатної кислоти та композитів на основі-термопластичної смоли. Основні сфери застосування включають крила, обшивку середньої частини фюзеляжу, шпангоути та хвостову частину.
Військові гвинтокрили також широко використовують композити. Наприклад, літак-конвертоплан V-22 Osprey використовує композити для виготовлення понад 40% маси конструкції, включаючи фюзеляж, крила, хвостове оперення та механізми обертання, загальною вагою понад 3000 кг композитних матеріалів. Новітній європейський ударний гелікоптер Eurocopter Tiger складається з композитних матеріалів у 80% структурних компонентів, що наближається до повністю композитного корпусу. Навпаки, у військово-транспортних літаках використовується менше композитів-C-17 — 8% і C-130J — лише 2%, хоча військово-транспортний літак Airbus A400M містить повністю композитне крило, причому композити становлять 35% його структурної маси, коли він порожній.
У цивільній авіації на початку 1980-х років -побудований у США однопілотний-літак Star舟 мав структурну масу близько 1800 кг, а маса композитів перевищувала 1200 кг. Легкий літак «Вояджер» 1986 року, конструкція якого на 90% складається з композитів з вуглецевого волокна, встановив світовий рекорд безперервного -польоту навколо світу протягом дев’яти-днів безперервного-польоту. Сьогодні суперництво між аерокосмічними гігантами Boeing і Airbus посилилося, головна увага приділяється збільшенню використання композитних матеріалів (рис. 1-2).
Щоб виготовити перший-композитний фюзеляж літака 787, Boeing застосував метод розміщення волокон, подібний до того, який використовує Raytheon. У результаті цього процесу був створений композитний компонент фюзеляжу довжиною 7 метрів і шириною 6 метрів. Ця структура була виготовлена за технологією автоматичного розміщення волокон (AFP) на масивній обертовій оправці. На оправці попередньо -нарізано канавки, що відповідають формі та розмірам стрингерів і лонжеронів фюзеляжу. Попередньо сформовані стрингери та балки (виготовлені з шарів попереднього препрегу вуглецевого волокна та затверділі-під тиском) були поміщені в ці канавки перед намотуванням. Під час виробництва оправка оберталася вздовж своєї осі, дозволяючи безперервному волокну намотуватись на прес-форму для формування корпусу фюзеляжу, при цьому віконні отвори залишалися незакладеними. Потім обшивку фюзеляжу разом із балками та стрингерами було витримано-в автоклаві, щоб створити монолітну композитну секцію фюзеляжу, яку пізніше витягли з форми як кінцевий продукт.
Композитна секція фюзеляжу Boeing 787 є не лише найбільшим у світі компонентом фюзеляжу, намотаним ниткою, але й визнаною найбільшою ємністю під тиском із вуглецевого волокна, яку будь-коли виробляли. Надзвичайна міцність композитного матеріалу на розтягування/обруч дозволяє йому витримувати вищий тиск у салоні, підтримуючи внутрішній тиск, еквівалентний висоті 6000 футів (1830 метрів){7}}порівняно із типовими 7000–9000 футів у звичайних літаках-, що значно покращує комфорт пасажирів. Крім того, композити протистоять корозії (головна слабкість металевих корпусів), дозволяючи вологості в кабіні залишатися стабільною на рівні 10–15% (проти 5–10% у металевих фюзеляжах), ще більше підвищуючи комфорт.
Під зростаючим впливом композитних технологій компанія Airbus повністю переробила A-350, перейменувавши його в A-350 XWB (Extra Wide Body). Літак збільшив використання композитних матеріалів із початкових 40% до 52%. Фюзеляж A-350 XWB на 13 см ширший, ніж у 787, що дозволяє використовувати конфігурацію 9 сидінь у ряду у компонуванні з високою щільністю (порівняно з максимумом у 787 із 8 сидіннями). Як і 787, A-350 XWB підтримуватиме тиск у салоні на висотному еквіваленті 6000 футів.
14 червня 2013 року компанія Airbus успішно здійснила перший політ свого нового широкофюзеляжного літака A350 XWB, відзначивши ще одну віху у світовій авіаційній промисловості після B-787 «Dreamliner» Boeing. У A350 XWB і B-787 використовується 52% і 50% композитних матеріалів відповідно, що означає нову еру в розробці аерокосмічних композитів.
555-seat A-380, найбільший літак у світі, досяг новаторських досягнень в історії авіації завдяки широкому використанню зміцненого вуглецевим волокном пластику (CFRP). Композитні матеріали становлять 25% маси літака, причому 22% становить CFRP і 3% є GLARE fiber-metal laminate (шаруватий гібрид композитів з алюмінію та скловолокна), останній вперше використовується в цивільних літаках. Компоненти CFRP включають: швидкісні гальма, вертикальні та горизонтальні стабілізатори (виконують функцію паливних баків), рулі висоти, елерони, спойлери закрилків, двері шасі, обтічники, вертикальні коробки хвостового оперення, верхні балки підлоги кабіни, задні перегородки, задні секції фюзеляжу, горизонтальні стабілізатори та елерони.
Після новаторського використання в A-вуглецевого волокна для кільової балки та композитних задніх притискних перегородок-подолання традиційних дизайнерських бар’єрів-A-380 ще більше кинув виклик інженерним нормам, застосувавши CFRP для своєї центральної коробки крила (з’єднує крила з фюзеляжем). Лише ця інновація зменшила вагу на 1,5 метричних тонни порівняно з передовими алюмінієвими сплавами. Зменшення ваги CFRP у поєднанні зі стійкістю до втоми та корозії покращило паливну ефективність на 13% порівняно з конкуруючими моделями та зменшило викиди. А-380 став першим далекомагістральним літаком, який досяг менше 3 літрів пального на пасажира на 100 км, з експлуатаційними витратами на 15–20% нижчими, ніж у найефективніших літаків того часу.
Бізнес-джет Falcon 7X компанії Dassault Aviation здатний літати на висоті 12 000 метрів із максимальною швидкістю 0,8 Маха, вміщує 8 пасажирів і має запас ходу 10 560 км (5 700 морських миль). Легкий реактивний літак Beechcraft Premier 1 компанії Raytheon розвиває крейсерську швидкість 835 км/год із дальністю польоту 2759 км-обидва оснащені вдосконаленими -композитними фюзеляжами.
Новий японський транспортний літак, ALELEX, також містить значні композити з вуглецевого волокна.
Китай також широко використовував композитні матеріали у проектуванні та виробництві літаків. Наприклад, односпрямований препрег із вуглецевого волокна QY8911/HT3 і композитний матеріал, розроблений і виготовлений Пекінським науково-дослідним інститутом аеронавігаційної промисловості, застосовували до таких компонентів, як передня частина фюзеляжу, вертикальний хвостовий стабілізатор, зовнішні панелі крила, спойлери та обтічні обтічники літаків. Односпрямований препрег із вуглецевого волокна PEEK/AS4C і композитний матеріал, розроблений Пекінським інститутом аеронавігаційних матеріалів, демонструють виняткову в’язкість до руйнування, водостійкість, стійкість до старіння, вогнестійкість і стійкість до втоми. Ці матеріали, придатні для виготовлення-несучих конструкцій літаків, можуть працювати довго-при температурі 120 градусів і використовувалися в передніх обшивках панелей відсіків шасі літаків.
Китайський військовий літак "Flying Leopard", який містить значні компоненти з вуглецевого волокна, має загальну довжину приблизно 22,3 метри, розмах крил 12,7 метрів, максимальну злітну вагу 28,4 тонни, максимальну зовнішню вантажопідйомність 6,5 тонни, максимальну швидкість 1,70 Маха та дальність поромної переправи близько 3600 кілометрів. З бойовими можливостями, що перевершують бойові можливості літаків Jaguar, Tornado та Su-24, Flying Leopard демонструє характеристики, сумісні з винищувачами третього покоління.
2. Застосування композиційних матеріалів у стелс літаках
За останні десятиліття було досягнуто значного прогресу в дослідженні стелс-композитних матеріалів, які розвиваються в напрямку «тонкості, легкості, широкосмугового (спектрального) поглинання та міцності (ударостійкості, високо-температурної стійкості).» Армовані вуглецевим волокном-композити є не лише легкими та високо-міцними структурними матеріалами, але також мають критично важливу функцію скритності. Наприклад, CF/PEEK або CF/PPS демонструють відмінні характеристики широкосмугового поглинання, ефективно поглинаючи радіолокаційні хвилі. Сполучені Штати були першими у використанні стелс-матеріалів у літаках, причому F-117 та F-22 були покриті найсильніше. Стелс-покриття на F-117 було дуже складним і включало до «семи різних матеріалів».
Основна конструкція надзвукового винищувача США F{3}}22 використовує спеціальний інженерний пластик із середнім{4}}модулем вуглецевого волокна-. Подібним чином кришки гальмівного парашута винищувача Mirage III та компоненти катапультного сидіння виготовлені з таких матеріалів, які успішно застосовано для частин,-поглинаючих радіолокацію, таких як ребра, обшивки, з’єднувачі та кріплення літака. Корпус крилатої ракети «Томагавк», підкладка планера стелс-бомбардувальника «B-2» і секції літака-невидимки «F-117A» також використовують полімерні радіопоглинальні матеріали, модифіковані вуглецевим волокном.
У 2000 році ВПС США модернізували стелс-матеріали F-117, замінивши початкове семи-шарове покриття одноматеріальним. Це змінює стандартизовані процедури технічного обслуговування та радіопоглинаючі-матеріали для всіх F-117, зменшуючи технічні характеристики приблизно на 50%. Після-модернізації час технічного обслуговування на годину польоту для F-117 скоротився більш ніж вдвічі, а річні витрати на технічне обслуговування для всіх 52 F-117s впали з 14,5 мільйонів 6,9 мільйонів. На відміну від F-117, F-22 уникає радар-поглинаючих покриттів на всьому корпусі, але наносить феритове радар-поглинаюче покриття на всі внутрішні та зовнішні металеві компоненти. Це покриття довговічне, зносостійке та легше наноситься порівняно з системою F-117.
Експерти прогнозують, що до 2030-х років передові композити, такі як провідні полімерні електрохромні матеріали, гібридні напівпровідникові матеріали, нанокомпозити та інтелектуальні технології стелс будуть практично впроваджені в літаки. Ці інновації можуть докорінно змінити системи авіоніки та методології управління літаками.
Джерело:Авіаційні композиційні матеріали та їх механічний аналізХайтао Цуй та Чжиган Сунь (ред.)