МС-21 - лайнер с "чёрным" крылом

В мировой гражданской авиации есть всего три самолёта, у которых крылья изготовлены из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Это Boeing B787 Dreamliner, Airbus A350 XWB и Bombardier CSeries. Совсем недавно компанию этой тройке составил и российский МС-21.

Одним из преимуществ композитных деталей является их устойчивость к коррозии и распространению повреждений. Композиты можно назвать универсальными материалами, они могут использоваться в самолётостроении, оборонной промышленности, кораблестроении и прочих областях, в которых к материалу предъявляют повышенные требования по таким характеристикам как прочность и жёсткость, хорошее сопротивление хрупкому разрушению, жаропрочность, устойчивость свойств при резкой смене температуры, долговечность.

Изготовление композитных деталей в авиапромышленности производится методом автоклавного формования - получение многослойных изделий из так называемых препрегов - композиционных материалов-полуфабрикатов, получаемых предварительной пропиткой полимерной смолой углеродных тканей. Одним из существенных недостатков этой технологии является высокая стоимость получаемых деталей, которая во многом определяется длительностью процесса их формования, ограниченным сроком хранения препрегов и высокой стоимостью технологического оборудования. По нормативным документам гарантийный срок хранения препрега в морозильной камере в диапазоне температур от -19°С до -17°С составляет 12 месяцев. Время хранения препрега при температуре 20±2°С - 20 суток, при этом заготовку детали можно выкладывать в условиях производственного участка только в течение 10 суток.

Альтернативой препрегово-автоклавной технологии являются «прямые» процессы (directprocesses), суть которых заключается в совмещении операций пропитки углеродного волокна или стеклоткани связующим и формования детали, что приводит к сокращению времени производственного цикла, снижению энерго- и трудозатрат и, как следствие, удешевлению технологии. Одним из таких процессов является метод вакуумной инфузии - Vacuum Infusion, VARTM.

По этой технологии пропитка сухого углеродного волокна и формование детали происходит на оснастке с закреплённым на ней вакуумным мешком. Полимерное связующее закачивается в форму за счёт разряжения, создаваемого под вакуумным мешком. Это позволяет существенно снизить затраты на подготовку производства крупных конструкций благодаря возможности применения более простой и дешёвой оснастки. К основным недостаткам технологии вакуумной инфузии стоит отнести, в первую очередь, трудности воспроизводимости процесса, - необходима тщательная отработка технологии, чтобы получать детали со стабильными геометрическими и физико-механическими характеристиками.

В результате опроса, проведённого в США в 2006 году, американские производители аэрокосмической техники пришли к выводу, что метод вакуумной инфузии недостаточно исследован и отработан для использования в изготовлении крупных деталей первого уровня в пассажирских авиалайнерах.

Но с тех пор многое изменилось.

Как известно, у широкофюзеляжного лайнера Boeing B787 Dreamliner из ПКМ выполнены фюзеляж и крылья, которые производятся автоклавно-препреговым методом. Также для этого самолёта немецкая компания Premium Aerotec использует метод VAP (Vacuum Assisted Process) для изготовления гермошпангоута, компания Boeing Aerostructures (бывшая Hawker de Havilland) применяет метод контролируемой инфузии CAPRI (Controlled Atmospheric Pressure Resin Infusion) для производства отклоняемых аэродинамических элементов киля, крыла и хвостового оперения: элероны, флапероны, закрылки и спойлеры. Канадская компания Bombardier применяет метод LRI и автоклавную полимеризацию для изготовления крыльев семейства самолётов CSeries. GKN Aerospace из Великобритании в мае 2016 года продемонстрировала композитный центроплан изготовленный безавтоклавным методом вакуумной инфузии с использованием недорогого набора инструментов и оснастки.

Российское ЗАО "Аэрокомпозит" из Ульяновска первой в мировой гражданской авиации применяет безавтоклавный метод вакуумной инфузии (VARTM) для изготовления из ПКМ крупных интегральных конструкций первого уровня.

Крылья и оперение типичного узкофюзеляжного самолёта составляют 45% от веса планера, на фюзеляж приходится ещё 42%. Объединённая авиастроительная корпорация видит цель, которую необходимо достичь, чтобы добиться успеха в условиях жёсткой конкуренции на рынке узкофюзеляжных коммерческих самолётов, - если оптимальное использование композитов в конструкции МС-21 позволит снизить вес лайнера и уменьшить производственные затраты на 45%, тогда и самолёт, и российские технологические компании упрочат свои позиции в мировом авиастроении.

Почему вакуумная инфузия?

Исследования 2009 года показали, что использование печи вместо автоклава может снизить капитальные затраты с $2 млн до $500 тыс. Для деталей от 8 м² до 130 м² печь может стоить от 1/7 до 1/10 стоимости сопоставимого размера автоклава. Кроме того, стоимость сухого волокна и жидкого композитного заполнителя может быть меньше на 70%, чем те же материалы в препреге. У МС-21 размер крыла - 3х36 метров для 200-й и 300-й моделей, и 3х37 метров для модели МС-21-400. Размер центроплана составляет 3х10 метров. Таким образом, экономия затрат "Аэрокомпозита" будет весьма значительной.

Тем не менее, генеральный директор ЗАО "Аэрокомпозит" Анатолий Гайданский поясняет, что стоимость автоклавов и препрегов не была единственным критерием принятия решения в пользу метода вакуумной инфузии. Эта технология даёт возможность создавать большие интегральные конструкции, которые работают как единое целое.

По заказу ЗАО "Аэрокомпозит" австрийскими компаниями Diamond Aircraft и Fischer Advanced Composite Components (FACC AG) были изготовлены 4 десятиметровых прототипа кессона крыла, которые с лета 2011 по март 2014 года прошли в ЦАГИ весь комплекс прочностных испытаний, и была проведена экспериментальная стыковка прототипа кессона крыла с центропланом. Эти исследования во-первых, подтвердили, что заложенные конструкторами расчётные параметры обеспечивают безопасность полётов, а во-вторых, применение крупных интегральных структур значительно снижает трудоёмкость сборки, уменьшает количество деталей и крепёжных элементов.

Анатолий Гайданский к этому добавляет: "Сухое карбоновое волокно можно хранить практически бесконечно, что невозможно с препрегами. Инфузия позволяет нам обеспечить адаптивное планирование производства, основанное на масштабе программы".

В настоящее время метод вакуумной инфузии планируется использовать для изготовления крупных силовых интегральных элементов первого уровня: лонжеронов и обшивки крыла со стрингерами, а также секции панелей центроплана. Они будут изготавливаться и собираться на заводе "Аэрокомпозит" в Ульяновске. Препреги и технология автоклавного формования будут использоваться для производства элементов механизации крыла: элеронов, спойлеров, закрылков, рулей высоты и направления, элементов хвостовой и носовой части крыла, а также обтекателей на "КАПО-Композит" в Казани - совместном предприятии ЗАО "Аэрокомпозит" и австрийской FACC AG.

Разработка технологии

Технология производства "чёрного" крыла самолёта МС-21 создана специалистами «АэроКомпозита» в тесном сотрудничестве с зарубежными производителями технологического оборудования. Метод вакуумной инфузии существует уже многие годы, но такое крупное и сложное изделие, как крыло самолёта, по этой технологии впервые сделали в Ульяновске.

Автоматическую выкладку сухого материала для изготовления крупных интегральных конструкций никто никогда в авиапромышленности не применял.

С 2009 по 2012 годы "Аэрокомпозит" работал с различными компаниями по всему миру, чтобы выбрать материалы и технологию повторяемого процесса требуемой точности и качества. Были отобраны смолы, сухое углеволокно и препреги американских компаний Hexcel и Cytec. Роботизированные установки для сухой автоматизированной выкладки углеродного наполнителя поставила компания Coriolis Composites, на этом оборудовании производятся лонжероны крыла. Роботизированную установку для сухой выкладки портального типа, на которой изготавливают панели крыла, поставила испанская MTorres. Термоинфузионные центры TIAC разработаны французской компанией Stevik.

По словам Анатолия Гайданского, сам по себе процесс вакуумной инфузии не налагает особых требований к проектированию конструктивных элементов крыла, в основном он оказывает влияние на разработку технологической оснастки, где должен быть сохранён баланс между способностью производить детали с высокой точностью, сохраняя при этом работоспособность процесса инфузии. В научно-исследовательской лаборатории ЗАО "Аэрокомпозит" было проведено большое количество тестов с материалами, деталями и образцами элементов, чтобы определить этот баланс. В итоге была выбрана ткань, в которой углеволокно не переплеталось, а при помощи полимерной нити было скреплено в единое полотно. Благодаря тому, что волокно не переплетается, оно практически не имеет механических повреждений, сказывающихся на прочности детали.

"Мы протестировали материалы с открытой структурой, чтобы выяснить текучесть смолы, а также более плотное волокно, для которого необходимо применять другие средства проницаемости наполнителя, такие, как, например, зазор между лентами", - говорит Гайданский.

Компания MTorres стала одним из ключевых участников процесса выбора материала, так как эта испанская компания много экспериментировала с различными вариантами машинной укладки сухого волокна. Несмотря на то, что у неё уже был значительный опыт, полученный в 2009 году при разработке лопастей из стеклоткани для ветряков Gamesa, в 2012 году был подписан контракт с "Аэрокомпозитом" на разработку оборудования для автоматизированной выкладки сухого углеволокна, что представлялось гораздо более сложной задачей. Композитные изделия обычно состоят из нескольких слоёв углеволокна с разными углами ориентации - такая укладка ткани необходима для оптимизации устойчивости к нагрузке по различным направлениям, так как композитное крыло в процессе эксплуатации самолёта подвергается воздействию комплексной внешней нагрузке, которая работает и на сжатие, и на растяжение, и на скручивание.

"Сухой материал, в отличие от препрегов, по определению не пропитывается какой-либо смолой, и таким образом, легко перемещается из положения, в которое был уложен", - объясняет директор по продажам MTorres Хуан Солано. "Наша задача состояла в том, чтобы каким-то образом зафиксировать материал для точной автоматизированной выкладки и убедиться, что он не меняет своего положения в дальнейшем".

Для решения этой задачи был использован очень тонкий слой термопластика в качестве связующего элемента для удержания волокна на месте. "MTorres разработал теплоотводящее устройство, размещённое в головной части преформы для активирования связующего слоя, обеспечивая при этом минимальную способность к прилипанию, что сделало жизнеспособным автоматизированный процесс выкладки", - говорит г-н Солано.

При выборе углеволокна и композитной смолы была поставлена цель максимально стандартизировать материалы, которые будут применяться для изготовления как крыла, так и панелей центроплана. Материал HiTape от Hexcel был доработан в соответствии с требованиями MTorres для возможности автоматизированной выкладки и получения требуемой точности ориентации волокна. Hexcel утверждает, что с материалом HiTape возможно добиться скорости автоматизированной укладки 50 кг/час. Однако Анатолий Гайданский уточняет: "На данный момент, для самого начала нашей программы, мы нацелены на скорость выкладки 5 кг/ч. Тем не менее, в будущем мы будем улучшать технологию для повышения производительности изготовления сложных конструкций. Сейчас в нашей лаборатории проходят соответствующие исследования".

После размещения волокна преформу помещают в термоинфузионный центр TIAC. TIAC представляет собой интегрированную систему, которая состоит из модуля впрыска, модуль нагрева и программно-аппаратного комплекса для обеспечения автоматизации процесса инфузии с точным соблюдением заданных технологических параметров. Термоинфузионный центр смешивает, нагревает и дегазирует эпоксидную смолу, управляет процессом заполнения вакуумного мешка смолой и процессом полимеризации. TIAC отслеживает и контролирует температуру и количество смолы, поступающей в преформу, скорость заполнения, целостность вакуумного мешка и преформы, уровень вакуума с максимальным значением, не превышающим 1/1000 бара.

Длительность производственного цикла варьируется от 5 до 30 часов в зависимости от типа, размера и сложности изготавливаемой детали. Процесс полимеризации проходит при температуре 180°С и может поддерживаться с точностью ±2°C до максимального значения 270°C.

Как это происходит в реальности

Технологический процесс изготовления кессона крыла МС-21 выглядит следующим образом:

1. Подготовка оснастки и выкладка вспомогательных материалов.

2. Выкладка сухой углеродной ленты и предварительное формование в автоматическом режиме на выкладочной оснастке.

3. Сборка вакуумного мешка.

4. Инфузия (пропитка) сухой заготовки в термоинфузионном автоматизированном центре.

5. Разборка пакета и зачистка деталей.

6. Проведение неразрушающего контроля.

7. Механическая обработка и контроль геометрии.

8. Покраска и сборка.

Все работы производятся в "чистой комнате", в которой количество дисперсионных частиц в воздухе не превышает их количества в стерильной операционной, ведь, если в карбон попадёт даже небольшая пылинка, то он становится некачественным и изделие уйдёт в брак.

После выкладки преформ лонжеронов они поступают на участок перемещения из позитивной оснастки в негативную, а преформы обшивки панелей крыла - на участок перемещения выкладочной оснастки в инфузионную. Здесь оснастку запечатывают в специальный конверт, с разных сторон к которому подведены трубки. По одним откачивается воздух, по другим за счёт возникающего разряжения подается связующее.

Стрингеры и панели выкладываются из углеволокна отдельно, но на специальной оснастке заливаются композитной смолой уже совместно. Полимеризация панели со стрингерами при инфузионной технологии происходит за один цикл. При автоклавной технологии требуется два цикла отверждения: 1-й цикл – отверждение стрингеров, 2-й цикл – совместное отверждение стрингеров и обшивки, при этом суммарные временные затраты получаются на 5%, а энергозатраты - на 30% выше, чем при использовании технологии VARTM.

Метод вакуумной инфузии за один цикл пропитки позволяет создавать интегральную монолитную деталь в противоположность клее-клёпанным автоклавным конструкциям, где клеевая плёнка укладывается между стрингером и обшивкой, а процесс установки механического крепежа для дополнительной фиксации стрингеров увеличивает трудоёмкость изготовления панелей до 8%.

Далее преформы перемещаются в термоинфузионные автоматизированные центры с габаритами рабочих зон 22х6х4 м и 6х5,5х3 м в зависимости от размера детали. Здесь происходит процесс инфузии и полимеризации изделия.

По окончании инфузии деталь поступает на участок проведения неразрушающего ультразвукового контроля. Здесь на роботизированной установке Technatom производится оценка качества и надёжности полученной детали - отсутствие трещин, полостей, неравномерности затвердевшего заполнителя и т.д. Неразрушающий контроль имеет особенное значение при создании и эксплуатации жизненно важных изделий, которым, в частности, и является крыло самолёта.

Следующий этап - механическая обработка детали на 5-координатном фрезерном центре MTorres, после чего готовая панель или лонжерон поступает на участок сборки кессона крыла.

Что даёт композитное крыло?

Крыло будет тем лучше, чем меньшую силу лобового и индуктивного сопротивлений оно создаст. Индуктивное сопротивление - это прирост лобового сопротивления, связанный с образованием подъёмной силы крыла. При обтекании крыла воздушным потоком возникает разность давлений над крылом и под ним. В результате часть воздуха на концах крыла перетекает из зоны большего давления в зону меньшего давления - от нижней поверхности крыла на верхнюю и накладывается на воздушный поток, набегающий на верхнюю часть крыла, образуя вихревой жгут. Такое движение воздушных масс сообщает воздушному потоку дополнительную скорость, направленную вниз - это и есть индуктивное сопротивление, на преодоление которого затрачивается дополнительная энергия двигателей, а, следовательно, и топлива.

Индуктивное сопротивление отсутствует у крыла бесконечного удлинения, но реальный самолёт такое крыло иметь не может. Для оценки аэродинамического совершенства крыла существует понятие «аэродинамическое качество крыла», - 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.

Авиаконструкторы всегда стремились увеличить эффективное удлинение крыла. Для крыла МС-21 был выбран суперкритический профиль - профиль, при котором верхняя поверхность практически плоская, а нижняя - выпуклая. Одним из преимуществ такого профиля является возможность создать крыло большого удлинения, а кроме того, такое крыло даёт возможность увеличить крейсерскую скорость полёта без увеличения лобового сопротивления. Аэродинамика вынуждает стреловидные крылья делать тонкими, крыло суперкритического профиля можно сделать толстым без увеличения ародинамического сопротивления. Конструкция такого крыла получается легче и технологичнее в изготовлении, чем тонкое, а в образовавшемся внутреннем пространстве можно разместить больший запас топлива.

Типовое удлинение крыла у самолётов прошлых поколений составляло коэффициент 8–9, у современных — 10–10,5, а на МС-21 - 11,5. Его композитное крыло большого удлинения, образованное суперкритическими профилями, позволяет повысить аэродинамическое качество на крейсерских скоростях полёта на 5-6% по сравнению с лучшими современными аналогами, и добиться тем самым большей дальности полёта при меньшем расходе топлива, что в конечном итоге повышает экономическую эффективность лайнера и его конкурентное преимущество

Заключение

Подавляющее превосходство западной авиационной индустрии в технологиях, технической оснащенности, уровне свойств применяемых конструкционных материалов, эффективности подходов к организации процессов проектирования и производства обеспечивает американским и европейским гражданским самолётам конкурентные качества, которые до сегодняшнего дня не могли быть реализованы в изделиях отечественного авиапрома. Изменить сложившуюся ситуацию должны такие перспективные проекты, как МС-21, призванные стать "локомотивами" комплексной модернизации гражданского самолётостроения России. Уже в процессе проведения опытных работ на этапе рабочего проектирования участниками Программы МС-21 был создан задел для формирования современного производства, ориентированного на самые передовые технологии.

Оригинал здесь: http://aviation21.ru/ms-21-laj...