4. Применение впкм в авиакосмической технике.
С начала 50-х годов основным типов ВПКМ были высокопрочные, но низкомодульные (по сравнению с Al и Ti) стеклопластики, используемые в производстве антенных обтекателей.
Использование ВПКМ в высоконагруженных конструкциях потребовало разработки материалов с более высоким модулем упругости с сохранением высокой прочности. Разработаны углеродные, борные, высокомодульные полимерные волокна (СВМ, Кевлар, из СВМПЭ) и угле-, боро-, оргпластики многофункционального назначения.
Прочность кевларопластиков близка к прочности стеклопластиков, модуль упругости их примерно в 2 раза выше, но они плохо работают на сжатие и сдвиг, трудно обрабатываются. Борные волокна и боропластики дороги. В последнее время большое внимание привлекают SiC и некоторые другие волокна. Основными конструкционными ВПКМ становятся углепластики и гибридные ВПКМ.
В 1995-2015 (20 лет) годах ожидается прирост рынка самолетов на 5-6% в год. Потребуется 14750 новых транспортных самолетов, из них 9% на 65-120 мест, 23% - на 120-210, 68% - на 210-500 мест.
Существенное увеличение качества ЛА стимулирует весовое совершенствование их конструкции и все более широкое использование высокопрочных, высокомодульных многофункциональных ВПКМ в % масс. (рис. 30).
Космические
аппараты
15 - 20%
Боевые вертолеты
45 - 55%
Компози- ционные
материалы, % от массы
конструкции
Стратегические
ракеты с РДТТ 75 - 80%
Боевые
самолеты
25 - 30%
Крупногабаритные
РДТТ 85 - 90%
Транспортные
самолеты
15 - 25%
Стратегические
ракеты с ЖРД 25 - 30%
Пассажирские
самолеты
до 60%
Рис. 30. Авиакосмические конструкции, использующие ВПКМ [1].
Соотношение массы ЛА и полезной нагрузки для дозвукового самолета составляет 4:1 (при использовании ПКМ 3:1), для сверхзвукового соответственно 12:1 и 9:1, для космического аппарата (КА) на земной орбите 66:1, для КА на лунной орбите 500:1. В среднем в самолете приходится массы на планер – 30%, двигатель и оборудование – 20%, топливо – 30-35%, полезная нагрузка – 15-20%.
Использование ВПКМ в конструкции фюзеляжа возможно только для высокопрочных ВПКМ из-за больших потоков касательных напряжений и больших сосредоточенных сил от крыла, оперения, шасси. Крупногабаритные отсеки фюзеляжей воспринимают общий изгиб, сосредоточенные, перерезывающие и осевые нагрузки, в некоторых случаях – крутящие моменты.
При σ+ 1 ГПа в конструкциях ЛА может быть использовано до 20% ПКМ, при σ+
2 ГПа – до 40% ПКМ. Повышение σ+ до 2 ГПа требует перехода к использованию высокопрочных нитей типа УКН вместо лент ЛУ, ЭЛУР, что усложняет технологию. Около 40% конструкции военных самолетов в этом случае вместо алюминия могут быть выполнены из углепластиков (Δm 12-15%).
Планер – основная часть массы самолета, позволяющая повысить полетную нагрузку. Экономия массы ЛА при использовании ВПКМ для конструкции фюзеляжа составляет 12-28%, крыла – 15-20%, хвостового оперения – 15-30%, планера вертолета – 20-22%, фюзеляжа – 25%, снижение числа деталей планера достигает – 50% (табл. 36,37). Так в конструкции ИЛ-96-300 использовано 14% ПКМ, что дало снижение массы на 1300кг.
Таблица 36. Расчетное снижение массы конструкций самолета при использовании ВПКМ (в %).
Агрегаты |
Сохранение размеров конструкции |
Использование ВПКМ с 2 ГПа и изменение конструкции |
Использование ВПКМ с более 2 ГПа |
Крыло |
20-26 |
35-60 |
70 |
Горизонтальное и вертикальное оперение |
30-35 |
40-80 |
85 |
Фюзеляж |
20-25 |
26-40 |
60 |
Воздухозаборники |
30-36 |
36-60 |
75 |
Таблица 37. Сравнительная стоимость металлических конструкций и конструкций из высокопрочных высокомодульных ВПКМ (угле- и органоволокниты).
Материал |
Стоимость деталей |
Стоимость сборочных работ |
Общая стоимость |
Металлические сплавы |
39 |
61 |
100 |
Высокомодульные ВПКМ |
62 |
32 |
94 |
Для ВПКМ оптимальной структуры и состава характерны:
Малая подверженность повреждениям вследствие усталостных нагружений;
Анизотропия свойств ВПКМ используется для улучшения динамических и аэроупругих характеристик конструкций (для лопастей несущих винтов вертолетов вибрации являются функцией частоты вращения винта);
Улучшение изгибно-крутильных характеристик винта позволяет эффективно использовать аэроупругие деформации крыла с обратной стреловидностью – большая маневренность на околозвуковых скоростях (в случае металлического крыла увеличение угла атаки приводит к резкому повышению нагрузок);
Для кессона крыла самолета эффективны только ВПКМ с
и
100
МПа, что затрудняет использование
углеволокнитов (предельно допустимая
деформация 0,4%, при деформации углеродных
волокон 1,3%, чувствительность к ударным
напряжениям; в протяженных конструкциях
из углеволокнитов возникают проблемы
из-за анизотропной электропроводности;
металлизированные углеродные волокна
с электропроводностью меди экранируют
аппаратуры от помех и удара молний).
Недостатки моноволокнистых ВПКМ в меньшей степени проявляются в поливолокнистых (гибридных) ВПКМ.
Высокие показатели упруго-прочностных свойств при статическом и динамическом нагружении эпоксидных ВПКМ на первом этапе стимулировали их применение в нагруженных конструкциях. Расширение использования ВПКМ в сильнонагруженных конструкциях привело к необходимости критического подхода к оценке возможностей эпоксидных ВПКМ. Им присущ ряд недостатков, определяемых строением эпоксидного сетчатого полимера (матрица в ВПКМ) [3]:
Низкая теплостойкость (
связующего ЭДТ-10 –
,
;
теплостойкость эпоксидных связующих,
отвержденных даже ароматическими
диаминами и ангидридами, обычно не выше
,
HDT/A,
,
при
);
Для повышения теплостойкости используют
смеси с фенольными резольными смолами,
связующие ЭФТ, 5-211-БН, ЭНФБ, УНДФ.
Низкая трещиностойкость,
,
до
30
(повышение
до 400
при гетерофазной эластификации жидкими
каучуками и термопластами);
Низкая огнестойкость (КИ около 20, при использовании антипиренов – до 25-28, самозатухающие);
Высокое равновесное водопоглощение (до 12%, у отвержденных тетрафункциональных типа ЭХД, ВС 2526, 2561, 5208, MY720 – 6,5-8%; для эксплуатации конструкций из эпоксидных ВПКМ в течение 20 лет при влажности 60-80% используют для снижения водопоглощения системы защитных многослойных покрытий, экраны из алюминиевой фольги толщиной 50 мкм, медно-никелевое покрытие толщиной 200 мкм);
Ограниченный ассортимент связующих для получения препрегов с длительной жизнеспособностью (композиции на основе эпоксидных смол с латентными отвердителями, ароматические амины, ангидриды, кислоты Льюиса, дициандиамид).
При
водопоглощении в 1% повышается
чувствительность ВПКМ к концентраторам
напряжений,
уменьшается на 10-15%,
–
на 20-30%,
на 35% (при водопоглощении 2%).
Коэффициент
безопасности использования ВПКМ в
конструкции
.
При
,
из-за непостоянства свойств ВПКМ, их
изменения при эксплуатации
составляет не менее 1,20 – 1,25 (для
углеволокнитов).
учитывают и при расчете допустимых
напряжений
,
на которые влияют факторы окружающей
среды (климатические –
,
концентрационные
):
,
где:
–
разрушающее напряжение,
Большинство конструкций летательных аппаратов из ПКМ – конструкции из ВПКМ на основе модифицированных эпоксидных матриц с оптимизированными параметрами теплостойкости, огнестойкости, трещиностойкости, водопоглощения, жизнеспособности препрегов.
Примеры использования ВПКМ различного состава в самолетостроении приведены в табл. 38-40, рис. 31-50; в вертолетостроении – в табл.41,42, на рис.51-63.
Таблица 38. Применение ВПКМ в авиационных конструкциях.
Конструкция |
Материалы, ВПКМ |
Эффективность замены металлов на ВПКМ. |
1.Аэробус А-310, А-310-100, А-310-200 |
Эпоксидные органопластики (кевларопластики) |
Снижение массы на 127 кг при применении упрочняющих обшивку конструктивных элементов. Замена стеклопластиков в деталях интерьера. |
Трёхслойные конструкции с обшивками из органопластика и сотами Nomex |
Снижение массы обтекателей воздухозаборников системы кондиционирования на 14 кг (Al), на 7 кг (замена стеклопластика). |
|
Органопластики, углепластики |
Хвостовое оперение аэробуса: концевой обтекатель, передние и задние кромки, передняя кромка руля направления; обшивка выполнена из органопластика с промежуточным слоем (где расположена антенна) из стеклопластика или углепластика. m=8,2 кг (33,9 по сравнению со стеклопластиковой конструкцией); обтекатель стыка киля с фюзеляжем, интерцепторы, передняя кромка киля, два вертикальных опорных стержня кабины, руль направления, обтекатель шасси (углепластики). |
|
Гибридные углекевларопластики |
Обтекатели стыка киля с фюзеляжем, крыла с направляющей закрылкой, киля с задней кромкой, горизонтального обтекателя с задней кромкой (кевларопластики). Снижение массы на 127 кг при изготовлении внешних элементов планера из ВПКМ. Киль, руль направления, панели передних кромок крыла и стабилизатора. Послойное введение 12-15% волокон Kevlar увеличивает статическую прочность материала в узлах крепления на 12-15%. |
|
2. Самолёт Jetstream 31 |
Стеклопластик Fibrelam (ф. Ciba-Geigy); высокая ви |
3-х слойные панели пола, перегородки, пассажирские трапы. Снижение массы с 6,8 до 4 кг, количества деталей с 23 до 3. |
3. Boeing 747 |
Органопластик (намотка). Эпоксидные стеклопластики |
Сосуд высокого давления для наполнения воздухом аварийных трапов. Масса 9 кг (металлический трап – 20 кг). В перспективе замена цельнометаллического крыла крылом из углепластика. |
Продолжение таблицы 38.
4. Lockheed C-5A «Гэлекси», ПН100 т, дальность 600 км |
Органопластик фирмы Brunswick |
Антенный обтекатель. Усталостная долговечность в 2,5 раза выше, чем у стеклопластикового; предкрылок – эпоксиборопластик, m=20% |
5. 9-ти местный Avteh 400 (Франция) |
Первое применение органопластиков в силовых 3-х слойных конструкциях (соты Nomex), углепластики. |
Из традиционных материалов масса 5585 кг. Масса с ВПКМ – 1400 кг (без топлива). Планер самолёта на 60% из ПКМ; соты Nomex высотой 3-9 мм, обшивки – органопластик (Кевлар+DOW383). Фюзеляж, носовой и хвостовой обтекатели, крыло включает в себя по 6 трёхслойных панелей (сборка с помощью жгута S-2, без использования препрегов). E+/ в 9 раз превышает E+/ монолитных стальных панелей. Носок крыла (Кевлар+DOW8084, эластифицированный виниловый эфир). Элементы жёсткости (лонжероны, рулевые поверхности из углепластиков (эпоксидные связующие DOW383, DEN 438). |
6. Сверхзвуковой 250-ти местный самолёт фирмы Boeing. (Взлётная масса 202 т, дальность полёта 10200 км). |
|
Снижение взлётной массы на 45 т за счёт ВПКМ и новых сплавов, массы фюзеляжа на 22%, крыла и гондолы – на 18% (за счёт трёхслойных конструкций, новых материалов и технологий) |
7. L-1011 TriStar фирмы Lockheed |
|
Обтекатели с рабочей температурой 180, комплект элеронов и корневой части крыла из эпоксидных углепластиков. m=20% |
8. Разработка фирмы Northrop Corp. |
|
Монолитное крыло из углепластика AS-1/3501-6 (эпоксидное, тетрафункциональное). Толщина слоя 0,005 мм, количество слоев 12-200. |
9. Boeing 727 |
ВПКМ |
Экономия массы 25% за счёт сокращения количества конструктивных элементов и крепёжных деталей. |
Продолжение таблицы 38.
10. Boeing 757 |
Эпоксидные угле- и органопластики |
757 кг элементов конструкции из ВПКМ (обтекатель стыка крыла с фюзеляжем, соты Nomex, оболочки – органоуглепластик), m=680 кг. Интерцептор (всего 12) 3-х слойный, оболочки из эпоксидного углепластика, соты Nomex. Длина 1,8 м, ширина 686 мм, масса 9,5 кг (фирма Grumman Aerospace Co.). Снижение массы В757 на 68 кг (годовая экономия 350000 фунтов стерлингов – расчет на 20 самолетов) при применении углепластика Fibrelam 2000 (плотность на 25% ниже плотности стеклопластика). Общая масса В757 – 767кг ВПКМ, Dm=567кг (до 1000 кг). Расширенное использование ПКМ в интерьерах. Применение ВПКМ в В-757, В-767 на 300% больше, чем в В-747. |
11. Boeing 767 |
Эпоксидные угле- и органопластики |
Использование эпоксидных органо- (10%), угле- (40%) и органоуглепластиков с температурой отверждения 120 и 180°С. Элероны, рули высоты, щитки интерцептора (423 кг), панели крыла, вертикальное оперение руля направления, передний капот двигателя, створки люка главного носового шасси, балки крепления пола (эпоксидные углепластики). Органопластики: тяги управления закрылками, обтекатель направляющих подвижных опор закрылков, законцовки стабилизатора, воздуховоды и др.(247 кг), Гибридные ВПКМ: панели крыла, части капота, обтекатели стыка крыла с фюзеляжем, панели стабилизатора, створки шасси и др. (243 кг). Общий вес конструкции из ВПКМ -3% от общего веса В-767. |
Органопластики, органоуглепластики, 3-х слойные с сотами Nomex |
m = 921 кг (40% за счёт органопластиков). Детали интерьера: панели потолка, перегородки, входные двери, туалеты, контейнеры для отходов, антенные обтекатели. Руль направления длиной 0,9 м |
Продолжение таблицы 38.
12. Учебно-тренировочный самолёт Т-3 8 |
Кевлароуглепластик |
Законцовки крыла; отсек фюзеляжа длиной 6м, 3-х слойная конструкция, соединение с крылом с помощью вспенивающегося клея Cyanimid FM-300 и титановых крепёжных деталей; горизонтальный стабилизатор на 80% из углепластика. |
13. Истребитель Northrop F5 G |
Углепластик |
Хвостовое оперение. |
14. Самолёт YF-17 фирмы Northrop |
Углепластик |
Передний отсек фюзеляжа: масса 408 кг, на 30% меньше металлической при одинаковой стоимости изготовления. 5% веса планера, 65 элементов, 370 кг ВПКМ, m=31% |
15. F-111, USAF/General Dynamics |
Эпоксидный боропластик |
Накладки (плоские слоистые листы 50,8x91,4 см) на нижней поверхности шарнирного соединения поворотного крыла из высокопрочной стали Д6АС. Установка в полевых условиях, вдвое увеличивает усталостную прочность шарнирных соединений (2,7 кг эпоксидного боропластика на одно шарнирное соединение). Хвостовой отсек фюзеляжа: боковые и нижние панели – 3-хслойная конструкция с оболочками из углепластика. Верхняя панель стриперной конструкции: шпангоуты из боралюминия, боро- и углепластика; лонжероны – 3-хслойная конструкция с оболочками из углепластика. m=18,3%. |
16. B-1 Grumman (аналог ТУ-160) |
ВПКМ |
Стабилизатор многолонжеронной схемы: обшивка, межслоевой гибрид – углепластик AS/3501-5 + боропластик 5505; нервюры и лонжероны из углепластика. Стенки лонжеронов гофрированные, у нервюр – плоские. Сборка – титановый и стальной крепеж. Створки отсека вооружения, воздухозаборник, створка отсека оборудования, рули системы активного управления, концевые отсеки кессона крыла из КМ А-7Д. 32% ПМ и ВПКМ, 50 т (22%) титановых сплавов, 40% – сплавы алюминия, 6% сталь. Антенные обтекатели из малеинимидных кварцепластиков. |
17. Военно-транспортный Lockheed C-141 |
Гибридные ВПКМ |
Обшивка дверей грузового отсека из эпоксидного углекевларостеклопластика площадью 17,8 м2 (стоимость на 25% ниже, чем из алюминия). |
Продолжение таблицы 38.
18. Dash |
Кевларопластик |
Использовано 227 кг препрега на основе равнопрочной ткани 281 из волокон Кевлар массой 100 г/м2 и плотностью 6x6 нитей/см. Внутренняя поверхность фюзеляжа, отсек авиационной электроники, передняя кромка закрылка, отсек основного шасси, обтекатели. Снижение массы на 55 кг по сравнению с панелями А1/бальза. Молниезащита – сетка из А1 5056 (проволока 0,001 мм, размер ячеек меш120). Мокрая выкладка для полевого ремонта. |
19. Mirage 2000 (Франция) |
Стеклопластик |
Антенный обтекатель (фирма DCAN-Toulon) на основе цельнотканых чехлов из стекла Д (Vetrotex ST Gobain, 4) взамен стекла Е (~6) и эпоксидного связующего (толщина стенки 10-12 мм, =3,5±0,1, tg =1,7x10 -2, ви=400 МПа, +=235 МПа, -=277 МПа, ви при 135°С = 340 МПа, при 170°С = 260МПа) с эрозионностойким полиуретановым покрытием. Пропитка под давлением, автоклав при 160°С - 5ч, при 180°С-15ч. |
20. F-18 |
Эпоксидные углепластики |
Наплывы на носках крыльев, закрылки, панели воздушных тормозов, передние кромки хвостового оперения, рулей направления, смотровые створки отсеков на фюзеляже и двигателе, отклоняемые носки крыльев, панели обшивки крыла, вертикального и горизонтальных стабилизаторов, отсек кабины пилота; передний отсек фюзеляжа (из ВПКМ 260 деталей и 10 сборок, из металлов соответственно 1300 и 23). |
21. F-16XL (вариант F-16) |
Углепластик |
Обшивка крыла. Позволяет в 2 раза увеличить площадь крыла и на 80% повысить ёмкость топливных баков. |
22. Panavia Tornado (2M) |
Углепластик |
Фирма МВВ для British Aerospace – горизонтальное хвостовое оперение. |
23. F-14A Grumman |
ВПКМ |
Горизонтальный стабилизатор (0,8% по массе) – первая ответственная деталь, изготовленная из ВПКМ в промышленном масштабе. m=18% (по сравнению с титаном). |
24. Boeing 737 |
Стеклопластик Fibrelam |
Трубопроводы системы кондиционирования воздуха. |
Продолжение таблицы 38.
25. Самолёт Shorts 360 |
Углепластик Fibrelam 2000 (ф. Ciba-Geidy, отд. Bonded Structures Division) |
Панели пола кабины. |
26. Самолёт BAC P.110 |
Углепластик |
60% ВПКМ в конструкции, до 1,5 т препрега на каждый самолёт. |
27. Самолёт Jaguar |
Углепластик |
Экспериментальная конструкция крыла, воздушные тормоза (рулевые поверхности и интерцепторы для управления по крену). |
28. Самолёт «Альфа» (ф. Dornier GMBH – Friedvichshafen) |
Малеинимидные ВПКМ |
Обтекатель из препрегов со связующим Н 795 (отвердитель – гидразид аминобензойной кислоты), фирмы Technochemie GMBH - Verfahrenstechnik (ФРГ). |
29. Конструкция для истребителя 5-го поколения JAS-39 |
Эпоксидный углепластик (ЭУП) ф. Saad-Scania (Швеция) |
Коробчатый сегмент крыла 2000x700x160 мм с пятью лонжеронами и нервюрой двутаврового сечения, соединённых Т-образным крепежом. Все элементы, верхняя и нижняя обшивки из ЭУП 0/90/±45° (Тотв – 175°С), пленочный клей RSL 308 А. |
30. AV-8B AV-8 Harrier II (вертикальный взлёт и посадка) |
Углепластик |
Кабина самолета со стрингерной обшивкой и шпангоутами из однонаправленного углепластика. Число элементов снижено с 327 до 88, число крепёжных деталей с 6440 до 2480. Экономия массы 25,3% (277 кг). Из эпоксидных и малеинимидных углепластиков передняя часть фюзеляжа, крылья, руль направления, стабилизатор, участок стыка передней части фюзеляжа с центропланом. В планере - 26% ВПКМ. |
31. F-117 A «Найт Хоук» |
Углепластик, радиопоглощающий RAM |
Панели на основе эпоксидного углепластика, наполненного SiO2, полиуретановыми сферами, ферритами. |
32. СПС ATSF (Max 2-2,4) |
ВПКМ |
Снижение массы крыла – 30%, массы фюзеляжа – 50%. |
33. Х-29 (Лос-Анджелес – Сидней за 90 минут, в 2000 году – 17 ч.) |
Крыло обратной стреловидности (требуется компьютеризированная коррекция положения всех управляющих поверхностей со скоростью 40 раз в секунду; если бортовая ЭВМ с тройным дублированием выйдет из строя, то самолет "развалится" за 0,2 сек.), передний лонжерон и корневая нервюра – титан, электронно-лучевая сварка, остальная часть каркаса крыла – алюминий. Обшивка крыла – эпоксидный углепластик (272 кг на крыло), монолитная панель длиной 8 м, массой 131 кг. Экономия массы 17%. |
|
Продолжение таблицы 38.
34. Перспективный 200-местный пассажирский самолёт (М=0,78) с ТВВД |
Крылья с большим удлинением и ламинаризацией обтекания из ВПКМ и МКМ. Монослойная конструкция фюзеляжа с сотами. |
35. V-22 Osprey (ВВП) |
Планер целиком из ВПКМ. |
36. Learfah 2100 (8-ми местный турбовинтовой служебный самолёт). |
Каркас, киль, обшивка рулей, весь планер (крылья, хвостовое оперение, фюзеляж) из эпоксидного углепластика (волокна Thornel фирмы UC США). Фюзеляж состоит из 7 частей, масса самолета 1770 кг, в каждом самолете 636 кг эпоксидных углепластиков. |
37. Beech Starship-2000 (ф. Beech Aircraft Corp.) |
Первый в мире турбовинтовой самолёт служебного назначения, выполненный из ВПКМ (70% от массы конструкции самолёта), 3-х слойные конструкции с обшивками из эпоксидных углепластиков. |
38. F-14 |
Обшивка горизонтального стабилизатора из ВПКМ, масса 350 кг, боропластик, m(Ti)-80 кг (19%). Автоматизированные процессы укладки ленты и обрезки слоев (Grumman's Integrated Laminating Cent.). |
39. Аэробус А-340 |
Из углепластиков: киль, гермоперегородка (г. Штад, ФРГ), устанавливают в хвостовой части фюзеляжа (автоклавное формование, Гамбург), сборка носовой части – Сен-Назар (Франция). Панели крыльев (Филтон, Честер, Англия). Сборка А340 (1996 г - 16 мес., 2000 г - 12 мес.), более 2,3 млн. деталей, отказ от конвейерного метода – подвижные сборочные столы, мостовые краны, увеличение объема сборки на каждом рабочем месте (Тулуза, Франция). |
40. Рафаэль |
Угле- и кевларопластики (35% от массы конструкции – передняя часть фюзеляжа, большая часть крыла). Широкое использование Li-Al сплавов. |
41. Самолёты системы АВАКС E-3A Сентри, Дефендер, Сентинел, ТВ-88, ЕС-130ASW, 767-200EP (США); ТУ-126, А-50 (Россия) |
Стекло-, кварце-, кевларопластики в конструкции радиопрозрачных обтекателей антенны в носовой части и над фюзеляжем (диаметр 4-6 м, до 9 м). |
42. Boeing 777 |
Широкое использование ВПКМ в конструкции, аналогично аэробусам А-340 (п.39). |
43. ЯК-42 |
Обшивка панелей закрылочной щели из органита 7 ТЛ-А. |
44. ТУ-204 |
Интерцептор – оболочки (препрег из ткани СВМ или лент Элур-П-0,1, связующее УП-2227), стеклосоты ССП-1П, пленочный клей ВК-51, Зх-слойные оболочка на основе саржи 5384 СВМ (или сатин для изделий сложной конфигурации) и фенольного связующего ФП-520 (фенол + параформ, 10% фосфодиол), 5% гликоль). |
Панели
крыльев (длина -30 м) из эпоксидных
углепластиков (∆m=350
кг). Каждые 100 кг экономии массы даёт
снижение расхода топлива на 250 кг в
полёте Лос-Анджелес – Сингапур. Фюзеляж
и управляющие поверхности крыльев
(предкрылки, закрылки и др.) – ДАЗА
"Даймлер Бенц Аэроспейс АГ".
Окончание таблицы 38.
45. Крыло с перфорированной обшивкой. (фирма Mc Donnell Douglas) |
Уменьшение лобового сопротивления (тонкий перфорированный, диаметр 0,063 мм, титановый лист, расстояние между отверстиями 0,063 мм, 230 отверстий на 1 см2, электронный луч) – отсос через отверстия воздуховодом внутри крыла пограничного воздушного слоя. Листы приклеивают к гофрированным листам из ВПКМ (гофры образуют воздуховод), убирающийся защитный экран из ВПКМ, который выдвигается перед крылом при взлете, наборе высоты, снижении и посадке. |
46. Самолёт с/х авиации Schapel 350 Mini-Swat (ф. Schapel Aircraft Co.). |
Лопасти воздушного винта, крылья (полки и стенки – углепластик, выкладка; обшивки – стеклопластик, усиление лонжеронов полимерными и стеклосотами; передние кромки крыльев – стеклопластик, полиуретановый пенопласт; хвостовое оперение – соты с обшивками из стеклопластика; хвостовая часть фюзеляжа – монококовая конструкция из стеклопластика, выполненная за одно целое со шпангоутами и стрингерами. |
47. ИЛ-96-800 |
14% ВПКМ, m=25-30% (1300 кг), повышение доли ВПКМ до 33%; увеличение ресурса в 2-3 раза, уменьшение трудоёмкости в 1,5-3 раза. |
48. СУ-27, 27М |
Оболочки (вместо алюминия) из клеевого препрега ПКУ-1,80-70,08 (углепластик, ЭЛУР-0,08, связующее – клеи ВК-31,36,36Р, 41, 46; соты ПСП-1х2, 5х60, заливочная паста ВП 3-5; вспенивающийся клей ВК-В3 (для крепления сот)); СУ-27М – низкий уровень РЛЗ благодаря «интеллектуальной обшивки». |
49. С-37 (Беркут) |
Слоистые толстостенные крупногабаритные панели крыльев и киля (высокоманевренный самолёт с адаптивным крылом обратной стреловидности). Частично секции фюзеляжа из ВПКМ, покрытия для УРЗ, ц=0,5-3 м2 (ранее ц=5-15 м2). |
50. СУ-26 СУ-29 СУ-31 СУ-33 |
Стержневые конструкции из ВПКМ (тяги управления). Сотовые панели крыла, панели фюзеляжа, лонжероны крыла, балка киля, лобовик крыла, интегральная стрингерная панель крыла из ВПКМ. |
51.* Бе-40 Бе-200 |
Интегральная стрингерная панель крыла и киля, стойка грузового отсека, тяги управления из ВПКМ. |
52. Boeing-787 “Dreamliner” |
Фюзеляж и крылья полностью из ВПКМ. Отделение «коммерческие самолеты компании Boeing (США), конструкторский центр Boeing (Москва)». |
53. СУ-35 (модернизация СУ-27) |
Более 40% конструкций (обшивки, подкрепляющие элементы и др.) и ВПКМ. |
54. Аэробус А-380 |
Широкое использование (до 40% масс.) ВПКМ. Секции фюзеляжа из суперггибрида Glare (алюмостеклопластики структуры 3/2, 2/1 из эпоксидных и термопластичных клеевых препрегов на основе стекла S-2 типа ВМ, ВМП и слоев алюминиевой фольги). Из углепластиков (16% масс.) изготовлены (Augsburg der EADS, ФРГ) короб центроплана, значительная часть хвостовой секции (в том числе хвостовое оперение), часть задней области фюзеляжа. Пултрузией изготовлены опорные конструкции пола кабины длиной до 7м. Передние предкрылки, направляющие для закрылков из углепластиков (подкреплены алюминием и титаном). |
55. Военно-транспортный аэробус А400М |
Створки грузового люка (ворота), направляющие закрылков из углепластиков (30% масс. В конструкицях) |
Рис. 31. Применение ВПКМ в самолетах КБ «Антонов»
Ан-28, Ан-22, Ан-124 ( длина 65м, ширина 73 м, максимальная дальность полета – 16500 км, 20 часов со скоростью 800-850 км/ч; при полной загрузке в 150 т. – дальность 4500 км; экономия топлива за счет ВПКМ – 18000 т. за период эксплуатации; снижение массы самолета на 0,5 кг дает экономию топлива за время эксплуатации 18000 л).
Конструкции из ВПКМ в самолетах: |
Ан-28 |
Ан-22 |
Ан-124 (Руслан) |
Количество, шт * |
90 |
430 |
1100 |
Масса, кг |
180 |
980 |
5500 |
Снижение массы, кг |
60 |
350 |
>2000 |
* обшивка трюма, части хвостового оперения, другие конструкции
Рис. 32. Применение ВПКМ и ПМ в конструкции самолета ТУ-204:
1 – органопластик; 2 – углепластик; 3 – микросферотекстолиты; 4 – гибридные угле-органопластики; 5 – стеклопластик.
Интерцептор: обшивки из препрега – ткань СВМ, лента ЭЛУР П-0,1; эпоксидное связующее УП-2227; стеклосоты ССП-1П; плёночный клей ВК-51.
Трёхслойные оболочки: фенольное связующее ФП-520 (фенол + параформ + 10% фосфполиола + 5% гликоля); сатин или саржа из СВМ (арт.5384), ленты шириной 1,5 м.
Рис.33.
Применение ПКМ в самолёте БОИНГ 757: 1–
створки ниши носового шасси;2– обтекатель
антенны;3– обтекатели пилонов;4– верхние
панели фиксированного носка;5– верхние
и нижние панели;6– интерцепторы;7–
фиксированная хвостовая часть;8–
законцовка;9– кессон;10– руль направления;11–
закрылки;12– наплыв;13– анализы
крыло-фюзеляж;14– закрылки;15– силовые
панели обшивки закрылков;16– обтекатели
направляющих рельсов закрылков (под
крыло);17– элероны;18– нижние панели
фиксированного носка;19– элементы
мотогондолы;20– основное шасси;21–
створка;22– теплозащитный экран;23–
створка стойки, обтекатель.
Рис.34.
ПКМ в конструкциях самолёта БОИНГ 767:
1- верхние и нижние панели фиксированной
хвостовой части крыла;2– руль высоты;3–
панели фиксированной хвостовой части;4–
руль направления;5– законцовки;6–
элероны;7- интерцепторы;8– обтекатели
пилонов;9– обтекатели антенны РЛС;10–
створки ниш уборки шасси;11– элементы
конструкции мотогондолы;12– обтекатели
рельсов выпуска закрылка (под крылом);13–
зализы крылофюзеляж.
Рис.35.
ПКМ в конструкции гражданских самолетов:
1-обтекатель метеорадара (кварцепластик, стеклосотопласты), 2-створки носового шасси (углетекстолит, сотовый заполнитель), 3-внутренние перегородки (органо-, углепластики, Алоры), 4-зализы крыла (угле-, органопласты, соты), 5-силовой набор крыла (Al, Al+Li), конструкции механизации крыла (углепластик, соты), 7-пол палубы (углепластик, соты ПСП), 8-оболочки гондол двигателей (углепластик, соты), 9-обтекатели пилонов (Al, Al+Li), 10-законцовки крыльев (Al), 11-БИМС (углепластик), 12-обтекатель привода закрылков (углепластик, соты), 13-внутренние панели (углепластики, Алоры, Сиалы), 14-гермошпангоут (углепластик, соты), 15-киль (углепластик, гибридные ВПКМ), 16-руль направления (углепластик, гибридные ВПКМ, Сиалы), 17-стабилизатор (углепластик, гибридные ВПКМ, Сиалы), 18-руль высоты (углепластик, гибридные ВПКМ, Сиалы), 19-шпангоуты, стрингеры в конструкции фюзеляжа (углепластик), 20-передние кромки крыльев предкрылки (термопластичные полифениленсульфидные ВПКМ), 21-секции оболочек фюзеляжа (углепластик, Сиалы).
Рис.36.
Применение КМ в самолёте А320:
1-створки ниши уборки носового шасси; 2-обтекатель антенны РЛС; 3-тормозные диски шасси; 4-элероны; 5-внешние закрылки; 6-внешние и внутренние интерцепторы; 7-облицовочные панели; панели пола и частично опорная конструкция пола; 8-киль и стабилизатор кессоны, поверхности управления, обтекатели; 9-створки и обтекатели ниш уборки основного шасси; 10-обтекатели рельсов закрылков; 11-панели фиксированных носков и хвостовой части; 12-элементы мотогондолы; 13-зализы крыло-фюзеляж.
Рис.37.
Объем применения углепластиков в
конструкциях аэробусов [73].
Рис.38.
Применение ПКМ в конструкциях аэробуса
А-380: 1– элементы стыка крыла с центропланом
из эпоксидного углепластика;2– передние
кромки крыльев (I-Nase)
из полифениленсульфидных (ПФС Fortron)
стекло- и углепластиков;3– силовые
элементы пола второго этажа;4– несущие
элементы вертикального руля направления
из эпоксидных углепластиков;5– несущие
элементы задней секции (N
19) фюзеляжа;6– задний штангоут из
углепластика;7– законцовки горизонтального
хвостового оперения (носки);8– конструкции
крыльев;9– крышка нижнего люка.
Рис.39. Конструкции Аэробуса А380 из термопластичных полифениленсульфидных (ПФС Fortron фирмы Ticona) угле- и стеклопластиков на основе препрегов CETEX фирмы Ten Cate (Нидерланды) [74]:
А – передние кромки несущей плоскости крыльев (длина 26м);
Б – детали (более 1000) из ПФС-материалов
Рис. 40. Створка грузового отсека (ворот, 1), ребра жесткости (2),
торсионный узел (3) из углепластиков военно-транспортного самолета А400М [75].
Рис. 42. Фрагмент фюзеляжа самолёта, изготовленного с использованием ВПКМ (трёхслойные оболочки из углепластиков и гибридных ВПКМ с сотовым заполнителем):
а) для Boeing 787 “Dreamliner” [77].
б) аэрокосмическом центре DLR ФРГ [76].
В конструкциях планеров зарубежных самолетов используют до 50% масс. ПКМ (самолет JSF: алюминий - 63%, ПКМ - 37%; самолет F - 22: алюминий - 16%, титан - 39%, ПКМ - 24%, сталь - 6%, другие - 15%; самолет EF - 2000: алюминий - 38%, титан - 12%, ПКМ -15%; табл. 39, 40).
Расширяется объем использования ПКМ в ОКБ «Сухого» (рис. 43, 44).
Носовой обтекатель Су-30 МКИ - пятислойная сотовая конструкция, отформованная с использованием клеевых препрегов. Конструкции элементов фюзеляжа, створок, крышек люков, оперения Су-29, Су-31 - трехслойные, с обшивками из углепластиков. Крылья, элементы управления Су-37, Су-29, Су-31 - комбинированные (силовой набор - металлический, оболочки из КМУ, Органита) или интегральные (из КМУ) конструкции. Каналы воздухозаборников в самолётах МИГ изготовлены из КМУ намоткой.
В Су-27 из ПКМ (стеклопластики) изготовлены радиопрозрачные обтекатели антенн на фюзеляже и крыле, носовой конус (из клеевых препрегов), носовая часть правого киля, обтекатели бустеров, привода горизонтального оперения, законцовки килей. При модернизации самолетов Су из ПКМ изготавливают пол кабины, переднюю и заднюю стенки кабины, переднюю и заднюю створки основной ниши шасси, люк гаргрота, защитный кожух в зоне тормозного щитка, тормозной щиток, флаперон, руль направления.
Рис. 43. Материалы силовых элементов агрегатов планера самолетов ОАО «ОКБ Сухого» [18]: 1- носок обтекателя (стеклопластик), 2- головная часть фюзеляжа
(Аl*, КМУ), 3- средняя часть фюзеляжа (Аl), 4- хвостовая часть фюзеляжа (Ti, шпангоуты из стеклопластика), 5- органы управления
(Аl, КМУ), 6- нервюры (Аl, КМУ), 7- съемные панели (Ti*, КМУ), 8- лонжероны (Ti, КМУ), 9- оболочки (гибридные ПКМ), 10- передние кромки, носки крыльев (жаропрочный А1), 11 - переднее горизонтальное оперение (Ti, КМУ), 12- лонжероны (Ti), 13- оболочки (Al, Ti, КМУ), 14- носок воздушного оперения (Ti), 15-створки (КМУ), 16- каналы воздухозаборников (Аl, КМУ), 17- шасси (Ti, стеклопластик).
* σ+/ρ на 15-20% выше, чем у традиционных авиационных сплавов на основе алюминия и титана; σ+/ρ и Е+/ρ однонаправленных ПКМ приблизительно в 5 раз выше показателей для металлов; для углепластика структуры [0°, 14%; 45°, 72%; 90°, 14%] σ+/ρ = 26 км (как у авиационных сплавов), что приходится учитывать при выборе материалов для конструкций.
Крупногабаритные панели крыла Су-37 «Беркут» изготовлены из углепластика с оптимизированной схемой укладки углеродных нитей (рис. 44)
В планере спортивных самолетов ПКМ применяют в конструкции фюзеляжа, крыла, оперения (силовой набор, обшивки, рис. 45).
Рис. 44. Панель из ПКП (1) в конструкции крыла обратной стреловидности (2) С-37 «Беркут» [18].
Рис. 45. Фюзеляж (а, панели, обтекатели, зализы и др.), крылья (б, панели аэродинамических поверхностей, лонжероны силового набора, конструкции механизации), лонжероны крыла (в, 1-клей ВК-27, 2-соты ПСП, 3-клей ВК-21, 4-клей ВКВ-3, 5-ЭЛУР-0,08П, СВМ, 6-УОЛ-300-24) спортивного самолета «ОКБ Сухого» [18].
Таблица 39. Структура применения материалов (в %) при создании авиационных конструкций.
Материал |
Самолёт |
Вертолёт Сикорского |
Самолёт АДСА* |
||
Б-767 |
F-18 (Хорнет) |
AV-8B (Харриер) |
|||
КМ |
3 |
9,0-10,3 |
26 |
62 |
68,5 |
Алюминий и его сплавы |
81 |
50,4-55,4
|
45-47,8 |
8 |
5,6 |
Титан и его сплавы |
2 |
8,4-13,2 |
8 |
- |
8,7 |
Сталь |
14 |
14,1-16,0 |
- |
7 |
8,0 |
Другие |
- |
11,4-11,8 |
21-26 |
23 |
9,2 |
* Advanced Design Composite Aircraft
Таблица 40. Применение композиционных материалов в конструкции военных самолётов США.
Самолёт, фирма-изготовитель |
Год разработки, области применения КМ и полученный эффект |
F-14 Макдоннелл-Дуглас
F-111 Дженерал Дайнэмикс
F-15 Макдоннелл-Дуглас
F-16 Дженерал Дайнэмикс
FA-18 Макдоннелл-Дуглас
AV-8B Макдоннелл-Дуглас
F-16XL Дженерал Дайнэмикс |
1969 г. Бороэпоксидные обшивки кессона стабилизатора. Снижение веса на 19%. Объём используемых КМ составляет 0,8% от веса конструкции.
Первые углепластиковые элементы конструкции: нижние обтекатели крыла.
1975 г. Бороэпоксидные обшивки киля, руля направления и стабилизатора, углеэпоксидные воздушные тормозые щитки. Снижение веса отдельных агрегатов до 25%. Объём используемых КМ составляет 1,6% от веса конструкции.
1977 г. Углеэпоксидные обшивки оперения: кессона киля, носка киля, руля направления и стабилизатора. Снижение веса отдельных агрегатов до 23%. Объём используемых КМ составляет 2,5% от веса конструкции.
1978 г. Углеэпоксидные обшивки крыла, кессона киля и стабилизатора, поверхности управления, воздушные тормозные щитки, различные створки и люки (50% омываемой поверхности из КМ). Снижение веса отдельных агрегатов до 35%. Объём используемых КМ составляет 10% от веса конструкции (500 кг.).
1982 г. Углеэпоксидные кессоны крыла, передний отсек фюзеляжа, стабилизатор, рули направления и высоты, верхний обтекатель крыла, элероны и закрылки. Снижение веса отдельных агрегатов до 25%. Объём используемых КМ составляет 26% от веса конструкции (590 кг.).
1983 г. Углеэпоксидное вертикальное оперение (носок и кессон киля, руль направления), углебисмалеимидная конструкция крыла. Снижение веса конструкции на 10%. |
Рис. 46. ВПКМ в конструкциях самолётов фирмы McDonnell Aircraft Company (в скобках % масс. ПКМ в конструкции):
1 - F - 4 Phantom II(менее 1); 2 - F-15 Eagle(орел, 2); 3 - F/A -18 Hornet(оса, около 10); 4-AV-8В Harrier (гончая, 26-30).
Рис. 47. Конструкция створок грузового отсека (1) самолета F-16 (2) из эпоксидных углепластиков.
Рис. 48. Носовой (1, одна из крупнейших авиационных конструкций из ВПКМ длиной 5м) и хвостовые обтекатели (даны в одном масштабе) фюзеляжа (2) и оперения (3) из малеинимидных (связующее F-178) кварцепластиков самолета В-1В (Роквелл Интернейшнл).
Рис. 49. Материалы в конструкции самолета AV-8B Harrier:
1 – малеинимидные углепластики;
2 – малеинимидные стеклопластики;
3 – эпоксидные углепластики;
4 – эпоксидные стеклопластики;
5 – алюминий (45%);
6 – титан (8%);
7 – сталь, никель;
8 – оргстекло.
В деталях конструкции фюзеляжа и стабилизатора, лонжеронах, нервюрах швеллерного типа (для крыла и стабилизатора), кессоне крыла, переднем отсеке фюзеляжа, рулях направления и высоты, элеронах, закрылках и др. (п. п. 1-4) 26% (590 кг) ВПКМ; снижение массы отдельных агрегатов до 25% (по сравнению с металлическими).
Harrier AV-8B палубный легкий атакующий самолет вертикального взлета и посадки, разработка фирм «Макдоннел Дуглас» и «Бритиш аэроспэйс» для использования в ВМС.
Двигатель Pegasus (Turbofan, тяга 106 кН, фирма Rolls – Royce), в модификациях: BAE Sea Harrier, MDC/BAE Harrier II (AV-8B/EAV-8B), GRMk5/7, MDC/BAE Harrier II Plus.
Рис. 50. Самолет ДЛРО (АВАКС) А-50 на базе ИЛ-76 с высококогерентной импульсно-допплеровской РЛС (на расстоянии 300 км обнаруживает до 60 целей и наводит на них одновременно 15 истребителей) с надфюзеляжным радиопрозрачным грибовидным антенным обтекателем из ВПКМ (стекло-, кварцепластики, при сборке использовано около 3000 винтов из ВПКМ) диаметром 6-10 м. (Таганрогский АТК им. Бериева).
Таблица 41. Применение ВПКМ в конструкциях вертолетов.
Тип вертолета |
Материалы, эффективность их применения |
1. Snifs Dauphin SA 366 |
23% ВПКМ от массы пустого вертолета (около 370 кг); внешние элементы планера, силовые конструкции -углепластики, вспомогательные конструкции-органопластики |
2. S61, SH3, Lynx Westland 30, EH 101
|
Лопасти несущего винта (фирма Westland Helicopter Ltd) из углепластиков (волокна ориентированы по длине лопасти) Срок службы 40000 летных часов (металлические 10000 ч). Профилированные сотовые конструкции (обшивки - углепластик Fibrelm, фирма Ciba-Geigy) |
3. BK-117, BO-108, VAH-2/HAC-36/HAP, NH-90
|
Эпоксидные кевларо (20%), углепластики(80%) и кевларо-углепластики в конструкции планера взамен стандартных алюминиевых трехслойных панелей (фирма «Messer-schmitt Boelkow Blohm). Вспомогательные конструкции: люки, закрылки, створки капота, несущие конструкции - горизонтальный стабилизатор. Из ВПКМ изготовлены: планер (105 деталей, из металла-745 деталей), пол, кабина вертолета. |
4. CH-54B |
Хвостовой обтекатель из ВПКМ (Δm 70%), ступица винта (эпоксистеклопластик). |
5.Boeing Vertol CH-47 Chinook («Чинук») |
Из ВПКМ и гибридных ВПКМ: трансмиссии, ведущий приводной вал, втулки несущего винта, элементы системы управления, задний люк, контейнеры, рама, стеклопластиковые лонжероны. Снижение массы и стоимости обслуживания - возможность изготовления вертолетов, состоящих на 85% из ВПКМ (снижение массы на 22%, стоимости на 17%). Вертолеты с конструкциями из ВПКМ обладают более высокой стойкостью к удару снарядом и меньшей эффективной отражающей поверхностью. Трансмиссия несущего винта из металла имеет массу 159 кг, стоит 350000 USD. После эксплуатации в течение 100 часов - капитальный ремонт (100000 USD). |
6.Разработки фирмы Bell Helicopter и MBB (ФРГ) |
Приводной вал из ВПКМ, втулка несущего винта без подшипника (требуемые крутящие моменты обеспечиваются посредством передачи напряжений непосредственно через ВПКМ). Жесткость вращающегося кольца автомата перекоса повышена за счет изготовления колец из боропластика. Из листовых стеклопластиков фирмы Owens-Corning Fiberglass Согр/(на основе стекла S-2) -рессоры, капоты двигателя, втулки несущих винтов. Вертолеты фирмы Bell Helicopter имеют 60% омываемых воздухом поверхностей, выполненных из ВПКМ, что уменьшает их массу на 35%. |
7. Вертолет-штурмовик Bell АН-16 Cobra |
Хвостовая балка, лопасти несущего винта, главный лонжерон, планка задней кромки, обшивка. Стекло- и углепластики (намотка). |
Продолжение таблицы 41.
8. Boeing Vertol 234
|
Подвесные топливные баки из эпоксидных органо- и углепластиков длиной 4,5 м (легче Al на 25 %). Сотовые панели пола из кевларостеклопластика (легче на 10 % 9-ти метровых металлических прессованных с болтами и заклепками). |
9. AH-15 фирма Bell Helicopter
|
Пожаробезопасные конструкционные панели для топливных баков (трехслойная конструкция): оболочки из стекло- и кевларопластиков, соты Nomex (заполнены тонкодисперсным порошком, выполняющим огнезащитные функции). |
10. S-76
|
Каркас фонаря передней кабины изготовлен из органопластика. В наиболее напряженных участках каркаса (углах) применяют гибридный материал -органопластики с добавлением слоев однонаправленного углепластика. Горизонтальный стабилизатор - трехслойная панель с сотовым заполнителем Nomex, обшивки из эпоксидного кевларопластика. Силовой элемент -лонжерон, образованный швеллерами (стенки лонжерона - эпоксидный кевларопластик, полки -однонаправленный эпоксидный углеволокнит) алюминиевые соты, клей FM 37. Концевая часть лопасти несущего винта - органопластик (эффект как у ПУМА- SA-380, п. 12). В стабилизаторе 60% ВПКМ (Δm 35%). Из кевларопластиков: обтекатели, люки и др. Снижение массы силового набора при применении ВПКМ-40%, вертолета-20%. |
11. НН-65А Dalphin 2
|
Рулевой винт, хвостовой стабилизатор и лопасти винта полностью из ВПКМ (эпоксидные углекевларопластики, соты Nomex). Стоимость-67% стоимости конструкции из Al (фирма Aerospatiale). |
12. Super Puma
|
Бесподшипниковые втулки Triflex для рулевого винта из гибридного ВПКМ с эластифицированным связующим (фирма Aerospatiale), высокая усталостная прочность. Противоударные откидные пассажирские кресла для вертолетов (фирма SOCEA, Франция). Элементы конструкции трехслойных панелей (обшивки -кевлароуглепластик; Al - соты) чашки сидений, спинки, ножки. Пума SA – 380: лопасть несущего винта (эпоксидный углепластик), увеличение скорости на 14%, уменьшение взлетной массы на 6%, расхода топлива на 5%. |
13. Caselle (Britavia Ltd.) |
К креслу из кевларопластика приклеены плитки на основе карбида бора (Geradyne Inc., США), бронирование кресла. |
14. WG – 30 |
Лопасть хвостового винта из ВПКМ |
15. БеллИН-1Д |
Обтекатель передачи (эпоксиуглепластик), лопасть несущего винта (эпоксистеклопластик). |
16. OH-6A
|
Лопасть хвостового винта -эпоксидный кевларопластик.В ГТД вертолета - задний обтекатель (фирма «Хьюз геликоптерз»). При замене полиэфирного стеклопластика на эпоксидный клевларопластик Δm 3 кг. |
17. OH-58 |
Лопасти хвостового винта (материалы и эффект, как у UH-60A). |
Продолжение таблицы 41.
18.CH-46 (BMC США)
|
Лопасти несущего винта, главный лонжерон, планка задней кромки, обшивка (как у АМ-1 " Кобра " , UH-60, СН-47С "Чинук "); стекло- и углепластики (намотка). |
19."СиКинг", "Линкс"
|
Лопасти хвостового и несущего винтов (фирма "Уэстленд геликоптерс", Великобритания), оболочки ВПKM, заполнитель - пенопласты, соты - Nomex. |
20.AH-64A Apache (аналог К-50)
|
Хвостовой стабилизатор из термопластичного углепластика (полиэфирэфиркетон + углеродные волокна AS4, IM7, плёночная технология). Лопасти несущего винта, обшивка двигательного отсека (Δm 30% по сравнению с металлической). Эпоксидные кевларопластики фирмы "Хьюз геликоптерз", "Сикорский эркрафт". |
21 .Транспортный вертолёт СН-53Е "Супер Стэллион" |
Фюзеляж и грузовая кабина (10x2.5x2.5 м) из ВПКМ. |
22. UH-60 Black Hawk (боевой вертолёт) |
ГТД Т700 (Дженерал электрик): входные устройства, сепаратор (внешний диаметр 450 мм). Имидостеклоуглепластик, связующее PMR-15, ткань ТЗОО), Δm 300%, Траб 275 °С Лопасти несущего винта, главный лонжерон, планка задней кромки, обшивка ( стекло- и углепластики, намотка). Лопасти хвостового винта : эпоксидные стекло- и углепластики. Обшивка толщиной 0.56-5.08 мм(намотка, автоклав). Лонжерон переменного сечения(эпоксидный углепластик, исключение узла поворота, Δm 20%, уменьшение лобового сопротивления на 25% ), заполнитель - сотопласт Номекс. Концевая часть лопасти несущего винта - - органопластик. Повышение на концах лопасти скорости при вращении до М=0.9, увеличение коэффициента подъёмной силы, скорости горизонтального полёта. В Белл АН-10 и UH-60A лопасти несущего и хвостового винтов. Эпоксидный стеклопластик(лонжерон-титан), сотопласт Номекс, хвостовая часть - углепластик, болтовые крепления лопасти к ротору - кевларопластик. Обтекатель несущего винта(при замене стеклопластика на кевларопластик Δm=28%). |
23.НН-43В
|
Лопасти несущего винта (длина до 46 м, длина лонжеронов до 43 м, масса лопастей до 16500 кг(фирма "Каман аэроспейс")), эпоксидные пластики и другие ВПКМ. |
24.Вертолёт UH-2 (для авианосцев) |
Лопасть несущего винта: лонжерон-алюминий, обшивка - эпоксидный стеклопластик. |
25.Вертолёт UH -1Н (армия США)
|
Лопасть несущего винта: лонжерон - алюминии, обшивка - эпоксидный стеклопластик, трёхслойные панели лопасти с сотовым заполнителем Nomex. |
Таблица 42. Сравнение массы и стоимости производства системы привода хвостового винта вертолета.
Узел |
Масса, г |
Число деталей |
||||
металл |
ВПКМ |
выигрыш в массе, г |
металл |
ВПКМ |
уменьшение числа деталей |
|
Приводной вал хвостового винта (L = 3940 мм) с муфтой на одном конце, фланцем на другом и четырьмя дополнительными подшипниками. |
7780 |
3730 |
4050 |
89 |
54 |
36 |
Приводной вал хвостового винта (L = 3904 мм) с муфтой и фланцем без подшипников |
6980 |
2930 |
4050 |
72 |
46 |
26 |
Короткий приводной вал хвостового винта (L = 731 мм) с муфтами на обоих концах |
1930 |
860 |
1070 |
101 |
37 |
64 |
Технологическая операция |
Полная стоимость, % |
Стоимость материала, % |
Производственные затраты, % |
|||
металл |
ВПКМ |
металл |
ВПКМ |
металл |
ВПКМ |
|
Изготовление одного вала с двумя фланцами без подшипников |
46 |
69,3 |
33,8 |
29,9 |
12,2 |
39,4 |
Изготовление двух муфт Сборка |
52,2 1,8 |
20,3 0,4 |
30,0 0,5 |
8,0 0,4 |
22,2 1,3 |
12,3 - |
Итого |
100 |
90,0 |
64,3 |
38,3 |
35,7 |
51,7 |
Общее количество приводов – 200 комплектов.
Рис. 51. Общий вид вертолета (А) из ВПКМ и членение его на секции (Б), удобные для производства и сборки:
1 – обтекатели двигателя; 2 – секция потолка с центральным лонжероном;
3 – боковая секция фюзеляжа; 4 – вертикальный стабилизатор; 5 – хвостовая балка;
6 – перегородка топливного отсека; 7 – горизонтальный стабилизатор; 8 – шасси;
9 – панели пола кабины и топливного отсека; 10 – стенка кабины; 11 – кабина;
12 – передняя секция потолка; 13 – поддвигательный огнезащитный узел.
Рис. 52. Типичные соединения, применяемые при сборке фюзеляжа вертолета из деталей и узлов из ВПКМ (для вертолетов снижение массы на 1 кг дает экономию в 300 USD).
стеклопластики
гибридные
ВПКМ,углепластики, органо(кевларо)
- пластики
Рис. 53. Применение ВПКМ в конструкции вертолета СН – 47: