Черное крыло: запекаю — улетаю

N+1 побывал в «колыбели» композитного крыла МС-21(Сложность 4.8)

Недавно российская корпорация «Иркут» провела выкатку нового пассажирского самолета МС-21. После завершения испытания и начала серийного производства он станет первым российским среднемагистральным пассажирским самолетом и первым в мире узкофюзеляжным лайнером, имеющим крыло из композиционных материалов. Корреспондент N+1 побывал в Опытной лаборатории технологий и конструкций из полимерных композиционных материалов компании «АэроКомпозит», где разрабатывались и проверялись технологии «черного» крыла для МС-21, выпускались демонстрационные образцы и проводились различные испытания.

Создание МС-21 ведется с первой половины 2000-х годов. Разработчики полагают, что на мировом рынке лайнер сможет конкурировать с американскими узкофюзеляжными Boeing 737 MAX и европейскими Airbus A320neo. В зависимости от конфигурации российский самолет сможет перевозить от 150 до 210 пассажиров. Дальность его полета составит более пяти тысяч километров, а скорость полета — около 870 километров в час. Одна из комплектаций МС-21 получит новые турбовентиляторные двигатели ПД-14, первые за последние почти 30 лет новые российские силовые установки. В своем классе лайнер получил самый широкий фюзеляж. Его ширина составляет 4,06 метра.

Крыло, верхние и нижние панели которого полностью изготовлены из сухой углеродной ленты и полимерного связующего, является, пожалуй, одним из самых интересных элементов конструкции МС-21. С использованием композитов в конструкции крыла разные авиаразработчики экспериментировали относительно давно. В 1990-х годах такие исследования вела, например, канадская Bombardier. Композитное крыло получил американский широкофюзеляжный пассажирский самолет Boeing 787 Dreamliner и европейский сверхширокофюзеляжный лайнер Airbus A350 XWB. В поиске ключа к дальним, комфортным, эффективным и экономичным полетам композиционные материалы играют важную роль.

Композитные детали по своей прочности соответствуют современным авиационным сплавам, а иногда даже и превосходят их. При этом использование углеродного наполнителя и полимерного связующего позволяет сделать такие детали легче металлических аналогов, а значит и уменьшить массу пустого самолета. Дальше работает относительно простая цепочка — более легкие, но прочные, элементы конструкции самолета позволяют устанавливать в него больше бортового оборудования или уменьшать потребление топлива в полете в зависимости от поставленной перед конструктором задачи. Грубо говоря, сэкономив полтонны благодаря композитам, можно добавить новые системы такой же массы.

Еще одним преимуществом углепластиковых композитных деталей является их устойчивость к распространению повреждений. Например, при ударе по такой детали, область повреждений будет ограничена. В ее пределах при эксплуатации может произойти разрушение, но оно не распространится дальше по детали. Благодаря этому же качеству композитные детали имеют больший ресурс, чем металлические. Дело в том, что по мере разрушения внутри детали снимается конструкционное напряжение. Когда оно становится равным нулю, разрушение останавливается. С учетом многослойности такая самоостановка разрушения — качество очень ценное.

В зависимости от того, где будут использоваться те или иные детали, применяются и разные технологии их производства из композиционных материалов: от банальный заливки смеси эпоксидки с углеволокном в заранее подготовленную форму до сложной кропотливой выкладки из препрегов, то есть заранее пропитанной связующим углеткани, с последующим «выпеканием» в огромных автоклавах при заданной температуре определенное время. Из препрегов, например, создают различные элементы фюзеляжа истребителей МиГ-29. Крыло МС-21 выполнено по методу вакуумной инфузии. Иначе ее иногда называют безавтоклавной, хотя применительно к ней этот термин не совсем корректен.

Упрощенно производство композитных элементов методом вакуумной инфузии выглядит так: из углеткани по выкройкам вырезаются детали, затем на специальной оснастке они выкладываются слоями, упаковываются в специальный пакет, из которого затем откачивается воздух и в который постепенно подается полимерное связующее. Затем деталь «выпекается» при определенной температуре, требуемой для качественного отверждения того или иного связующего материала. По такой технологии, например, изготовлен корпус тральщика нового поколения «Александр Обухов», головного корабля проекта 12700, сегодня проходящего испытания.

Методом вакуумной инфузии изготавливаются композитные детали для крыла МС-21. Работы по проекту «черного» крыла для нового российского лайнера начались во второй половине 2000-х годов, когда была создана компания «АэроКомпозит». Эта компания совместно с несколькими иностранными фирмами занималась исследованиями на этапе выбора полимерных композиционных материалов для проекта МС-21, а также подбором технологии и изготовлением первых конструктивно подобных образцов.

В июле 2011 года компания создала Опытную лабораторию технологий и конструкций из полимерных композиционных материалов. Лаборатория отвечала за исследование полимерных композиционных материалов, отработку технологии изготовления опытных образцов элементов конструкции с использованием новых материалов, а также проверку заложенных конструктивных и технологических параметров. Специалисты лаборатории отвечали и за подготовку технологической документации для производства. В августе 2011 года лаборатория уже создала первый простой опытный композитный образец.

В целом лаборатория включает в себя несколько участков. В первом производится раскройка углеткани и различных слоевых заполнителей по лекалам. Они выводятся на раскроечный стол при помощи специальных лазерных проекторов. Для изготовления композитных элементов крыла МС-21 в лаборатории использовалась ткань, в которой углеволокно не переплеталось и небольшими полосками была скреплена в единое полотно при помощи полимерной нити. Благодаря тому, что волокно не переплетается, оно практически не имеет механических повреждений, сказывающихся на прочности детали.

На этом этапе раскраивают не только углеткань, но и различные вспомогательные слои, включая вакуумные пленки, в которые запечатываются сформованные детали и так называемые жертвенные слои. Эти слои помещаются между деталью и вакуумной пленкой и позволяют отделить последнюю от готового изделия уже после «выпекания». Все слои затем накладываются друг на друга на специальной оснастке — приспособлении, позволяющем задавать нужную форму детали. В готовом элементе количество слоев углеткани может варьироваться от нескольких единиц до четырех десятков в зависимости от требуемой прочности.

Выложенные слои, среди которых есть и сетки, помогающие равномерному распределению связующего, на оснастке запечатываются в специальный конверт с разных сторон к которому подведены трубки. По одним откачивается воздух, по другим подается связующее. Полимерную смолу для композитного крыла МС-21 разрабатывали специально. Это однокомпонентное связующее, отверждаемое во время «выпекания» в печи до 20 часов при температуре 170-180 градусов Цельсия. Само связующее хранят в специальных холодильниках при температуре минус 18 градусов Цельсия.

В целом метод вакуумной инфузии относительно прост. По словам главного технолога «АэроКомпозит-Ульяновск» Алексея Ульянова, он позволяет изготавливать детали быстро, относительно дешево и без жесткой привязки к срокам хранения материалов. В частности, препреги хранятся в среднем 30 суток с момента производства. И за это время необходимо успеть выложить все необходимые детали конструкции. С этой точки зрения вакуумная инфузия позволяет не торопиться — углеткань и связующее по отдельности хранятся очень долго. Ульянов с самого начала занимался разработкой метода вакуумной инфузии применительно к силовым длинномерным элементам конструкции консоли крыла самолета.

Производство же деталей из препрегов — довольно трудоемкий процесс. Пропитанную связующим ткань необходимо выкроить по лекалам и затем отпозиционировать все слои на оснастке. При выкладывании слоев необходимо «выгонять» мельчайшие пузырьки воздуха, образующиеся между ними, которые могут привести к возникновению каверн в деталях и снижению их прочности. Собранные из слоев препрегов элементы «выпекаются» в специальных автоклавах под большим давлением, которое может достигать шести атмосфер. При автоклавном методе каждая деталь «выпекается» отдельно. Затем они собираются вместе и проходят повторное «выпекание».

Именно так собираются панели для крыльев B787 и A350 XWB. Стрингеры выпускаются отдельно, а сами панели отдельно, а затем составляются в единую конструкцию. В этом случае граница раздела между полимерной поверхностью одной детали и поверхностью другой сохраняется, а значит весь элемент получается чуть менее прочным. Метод вакуумной инфузии позволяет изготавливать интегральные элементы: стрингеры и панели выкладываются из углеволокна отдельно, но на специальной оснастке заливаются связующим уже совместно. Так получается единая деталь, которую после механической обработки можно ставить на самолет.

В авиации активно развивалась именно автоклавная технология, просто потому что, долгое время не существовало подходящих по характеристикам связующих, пригодных для вакуумной инфузии. Они появились только во второй половине 1990-х годов. По этой причине выкладка деталей из препрегов уже хорошо освоена. Airbus и Boeing выпускают очень большое количество самолетов и располагают большим количеством заказов на новые самолеты. В таких условиях цена ошибки при внедрении новой технологии очень высока. Во многом по этой причине компании решили придерживаться проверенной технологии препрегов.

С этой точки зрения Объединенная авиастроительная корпорация, занимающаяся разработкой МС-21, оказалась в выгодном положении. Большого портфеля заказов на еще не созданный самолет не было, не нужно было спешить с выпуском серийных самолетов, словом, никто не торопил и было время на изучение новой технологии. Были проведены и исследования совместимости материалов в конструкции крыла. Крыло МС-21 состоит из почти девяти тысяч различных деталей. В численном отношении доля композитных элементов не велика — около 30 процентов. По массе же они составляют около 65 процентов крыла. Элементы крепятся и между собой, и с другими элементами.

В лаборатории проводятся и испытания различного крепежа для композитных деталей. Например, в большинстве случаев для крепления элементов из углепластика нельзя использовать алюминиевый крепеж. Дело в том, что пропитанная связующим углеткань и алюминиевые, например, заклепки образуют гальваническую пару, в которой алюминий очень быстро «закисает». Однако если в детали добавить несколько слоев углеткани, то гальваническая пара разрушается, но сама деталь становится крупнее и тяжелее. Чтобы избежать коррозии, крепление композитных деталей производят при помощи титана.

По итогам исследований в Ульяновске открылось производство «АэроКомпозит-Ульяновск». Там сегодня при помощи роботов изготавливаются «черные» крылья МС-21. К слову, при окраске МС-21 к выкатке корпорация «Иркут» специально оставила неокрашенными несколько участков крыла лайнера; чтобы было видно, что оно действительно черное. Московская опытная лаборатория сегодня, получив соответствующую государственную аккредитацию, занимается испытанием образцов-спутников. Полученные в результате проверок данные будут использоваться для сопровождения наземных и летных испытаний нового российского лайнера.

Образцы-спутники — это образцы деталей, изготовленных на заводе, из которых нарезают небольшие элементы — образцы-свидетели. Такие вот элементы проходят несколько циклов испытаний. Благодаря проверкам определяются качество и характеристики композитных деталей. Для этого в Опытной лаборатории действует Испытательная лаборатория материалов и полимерных композиционных материалов и Физико-химическая лаборатория. В ней элементы испытывают на сдвиг слоев, растяжение, сжатие, разрыв. Для этого у испытательной лаборатории есть специальные машины, способные обеспечивать нагрузку от 25 до 60 тонн. Есть стенд для динамических испытаний образцов.

Лаборатория даже располагает испытательным стендом, в котором можно давать динамические нагрузки на образцы-свидетели и одновременно моделировать различные климатические условия. Такой стенд позволяет создавать нагрузку до 25 тонн. Качество деталей проверяется и при помощи ультразвукового оборудования. По итогам всех проверок прошедшие испытания образцы вместе со всеми протоколами тестов отправляются в архив, где хранятся десять лет. Данные из архива позволят позволят подтвердить качество той или иной детали, в случае какой-либо неприятности с самолетом.

Сейчас все специалисты лаборатории с нетерпением ожидают первого полета МС-21. Именно он покажет, насколько использование композитов в конструкции крыла было оправданно. На этапе проектирования и испытаний лабораторных образцов композиты показали себя очень хорошо. В частности, именно благодаря использованию углеродного наполнителя и полимерной смолы стало возможно сделать тонкое крыло с большим удлинением.

Благодаря тонкости и длине, большей длины крыла традиционного узкофюзеляжного пассажирского самолета, крыло МС-21 получило лучшее аэродинамическое качество. Например, оно имеет меньшее лобовое сопротивление. Композиционные материалы позволили изготовить панели более гладкие, чем традиционные панели из авиационных сплавов. В полете гладкость будет способствовать лучшему ламинарному обтеканию. Большее удлинение позволило, по предварительным расчетам, повысит топливную эффективность МС-21 на шесть-семь процентов.

Наконец, большее удлинение крыла позволило отказаться от традиционных законцовок — винглетов, специальных «надстроек», традиционно выполняемых в виде небольших крылышек, шайб или акульих плавников.

Винглеты позволяют несколько снизить сопротивление на концах крыла, возникающие в результате образования в этой зоне турбулентного вихря. Причиной его возникновения является перетекание воздушного потока из зоны повышенного давления снизу крыла в зону пониженного давления сверху. Установка винглетов требует значительного усиления конструкции крыла, а значит и увеличения его массы. При боковых порывах ветра винглеты создают серьезную сгибающую и крутящую нагрузки на крыло. Большее удлинение крыла МС-21 и его тонкий профиль позволяют снизить индуктивное сопротивление на концах крыла без дополнительных «надстроек».

Наземные испытания МС-21 планируется начать уже в ближайшие несколько недель, включая первые пробежки по взлетно посадочной полосе и разгон до скорости взлета с отрывом передней стойки шасси. Первый полет нового российского лайнера запланирован на конец 2016-го — начало 2017 года. Первый серийный самолет планируется поставить заказчику уже в 2018 году.

Автор: Василий Сычёв