Технологии

Заменяя алюминий и другие металлы при производстве деталей самолетов на высокоэффективные композиты низкой плотности, создатели самолетов надеются снизить массу своих самолетов. А это может привести к сокращению платы за топливо для клиентов самолетов коммерческой авиации, которые постоянно сталкиваются с ростом конкуренции и беспрецедентным повышением топливных затрат.
Примерно 15% от структурной массы современного гражданского самолета в наши дни составляют пластиковые композиты, преимущественно, изготовленные из углеродной пластмассы, армированной волокном. В запускаемом в настоящее время в производство новом поколении самолетов будет использовано до 50% конструкционных композитов. Согласно исследованию использования пластмассовых композитов в авиационно-космической промышленности, которое подготовило EADS Deutschland GmbH (European Aeronautic Defense and Space Co), детали самолетов, изготовленные из композитов, на 15-20% легче, чем аналогичные детали, изготовленные из алюминия. Экономия на эксплуатационных расходах за счет уменьшения массы самолетов оценивается в отчете суммой от 100 до 1000 евро (в зависимости от области применения) на килограмм сэкономленной массы. Такая экономия образуется за счет более низких затрат на топливо и меньшей потребности в материально-техническом обслуживании, которое при использовании металлов возникает из-за их усталости и коррозии.

Таблица 1: Сопоставление физических свойств различных фторополимеров.

Несмотря на существенные преимущества, которые дает их использование, пластмассовые композиты все еще встречаются с препятствиями на пути своего продвижения на авиационно-космическую арену. Во-первых, они зачастую дороже, чем сопоставимые металлические материалы. Они также испытывают конкуренцию со стороны новых облегченных сплавов металлов и композитов. Кроме того, сертификация пластмассовых композитов – или любых иных новых материалов – для использования при производстве несущих конструкций самолетов, представляет собой долгий процесс, на который требуются месяцы и годы дорогостоящих испытаний безопасности.
Для того чтобы значительно повысить конкурентоспособность пластмассовых композитов, производители разрабатывают технологии более низкозатратного производства, которое менее трудоемко и капиталоемко, а также более компьютеризировано, чем традиционные методы.

Рис. 1. В конструкции Airbus A380, самолета коммерческой авиации, который должен быть введен в коммерческую эксплуатацию в 2008г., будут широко использоваться полимерные композиты во всех частях конструкции.

Материалы
В состав каучуков, используемых в авиационно-космической промышленности, входит много термоотверждающихся пластиков. К их числу относятся эпоксидная, фенольная, бисмалеимидная, уретановая, цианоэфирная и винилэфирная смолы. Используются также и термопластики, включая поликарбонат, полиэтилентерефталат (PET), нейлон, сополимер акрилонитрил-бутадиен-стирола (АБС), ацеталь, полиэтилен, полистирол и жидкокристаллические полимеры. В качестве наиболее часто используемых материалов для армирования авиационно-космических композитов используются волокна, тканые материалы или пленки, изготовленные из углерода, стекла или арамида.

Рис. 2. Почти 50% материалов, из которых производится самолет Boeing 787, будут изготавливаться из композитов (схема применения материалов).

Для производства высококачественных композитов, используемых для конструкционных применений при производстве самолетов, обычно используют эпоксидные и фенольные смолы. Для армирования, как правило, используют углеродное волокно. Чаще всего такое волокно изготавливается путем воздействия очень высоких температур на нити из полиакрилонитрила (PAN).

Рис. 3. Недавно завершенный компанией Boeing цельный полномасштабный композитный фюзеляж для 787. Габариты конструкции почти 7 м в длину и 6 м в ширину.

Наслаивание с предварительной пропиткой
Для производства конструкционных пластмассовых композитов наиболее часто используемой технологией является насыщение тканых материалов из углеродного волокна матрицей из невулканизированной смолы, такой как эпоксидная, для формирования предварительно пропитанной конструкции. В ходе следующего этапа, который называется наслаивание, специалисты помещают предварительно пропитанную деталь в пресс-форму, располагая поверх сотоподобную структуру, затем основная часть покрывается дополнительными слоями предварительно пропитанных листов. Затем детали вулканизируют в автоклаве под воздействием высокой температуры и давления (технология соединения внешних слоев с внутренней основной частью). Затем получаемую композитную панель подгоняют по размеру.
Наслаивание с предварительной пропиткой представляет собой метод производства, используемый для создания крыльев для нового реактивного самолета Boeing 787, который на 50% состоит из композитов: на сегодняшний день это самая большая доля композитов, используемая при производстве самолетов коммерческой авиации. Планируется, что самолет, который будет перевозить 200-300 пассажиров, начнет совершать регулярные рейсы в 2008г. Как сообщают в компании Boeing, он будет расходовать на 20% топлива меньше, чем реактивные лайнеры того же размера. Также крылья, передняя часть фюзеляжа и хвост нового европейского боевого самолета Eurofighter Typhoon изготовлены из пластмассовых композитов, произведенных методом наслаивания.

Рис. 4. Наслаивание используется для производства композитного хвостового стабилизатора для штурмовика военно-морского флота США F/A-18E/F.

Метод наслаивания предварительно пропитанных углеродных/эпоксидных слоев используется также для создания отсека вертикального хвостового оперения нового реактивного самолета на 555 мест Airbus A380, который станет самым большим в мире самолетом коммерческой авиации, когда он вступит в эксплуатацию в 2008г.

Автоматизированное нанесение пленки
Для сокращения эксплуатационных расходов некоторые методы производства авиационных композитов, включающие процесс предварительного пропитывания, могут быть автоматизированы. Одной из таких технологий является технология "нанесения пленки": в ходе этого процесса предварительно пропитанная пленка из углеродного волокна и смолы наматывается на стержень. Намотанная пленка затем вулканизируется в автоклаве, стержень удаляется, а форма композита сохраняется. Когда форма сложная, наматывание пленки может производиться машиной, так что пленка надежно прилегает по всем сложным контурам формы. Такая технология автоматизированного нанесения пленки будет использована для производства центральной части крыла самолета Boeing 787.

Рис. 5. Установка нанесения пленки для производства частей самолета Airbus A380.

С технологией автоматизированного нанесения пленки тесно связана технология формования намоткой волокон, при которой установка наматывает волокна углерода или другого армирующего материала на вращающийся стержень. Головка держателя волокна двигается туда и обратно в то время, как стержень вращается, так что пучки волокон наматываются единообразно. Как правило, волокна окунают в ванну со смолой непосредственно перед наматыванием, хотя без ванны можно обойтись, если использовать предварительную подготовку нити (непрерывную нить, предварительно пропитанную смолой). После вулканизации в автоклаве стержень удаляют. Формование намоткой нити в настоящее время используется для производства целых фюзеляжей реактивных самолетов на несколько пассажиров.

Трансферное формование пластмасс (RTM)
При использовании данной технологии жидкая смола и катализатор помещаются в закрытую форму, в которую перед этим поместили предварительно отформованную заготовку с волоконной основой. Вулканизация смолы происходит в форме, обычно с применением повышенных температур. Готовая деталь затем извлекается. Оборудование для этой технологии относительно недорого, поскольку не требуется дорогостоящего автоклава. Другим плюсом технологии RTM является возможность соединения крупногабаритных деталей. RTM используется для производства манипуляторов дверных петель нового Airbus A380. Детали производят из тканого материала с углеволокном и эпоксидной смолой.

Рис. 6. Трансферное формование пластмасс используется для изготовления вертикального стабилизатора из углеродного/эпоксидного композита для нового служебного реактивного самолета Dassault Falcon 7X.

Тогда как для RTM необходима форма состоящяя из двух половин, разновидность RTM, называемая транферное формование пластмасс с помощью вакуума (VARTM), позволяет производить детали для авиационно-космической промышленности на одной открытой форме. При использовании данной технологии предварительно отформованную заготовку помещают в одну половину формы, затем поверх формы надевается мешок, чтобы обеспечить герметичность. Когда в покрытой форме создается вакуум, смола засасывается в форму через впускное отверстие в заготовку, а затем окончательно отвердевает. Технология VARTM позволяет производить крупные детали, в которых практически нет дефектов. Эта технология также дешевле, чем RTM, поскольку используется только половина формы. VARTM изучалась одним подрядчиком (Lockheed Martin Space Systems) как один из способов снижения затрат на производство приборного отсека ракетного комплекса Trident II D5 путем интеграции состоящего из 61 части агрегата в единое целое. Производитель пришел к выводу, что новая технология сулит сокращение эксплуатационных затрат до 75%.

Рис. 7. Установка трансферного формования пластмасс, управляемая компьютером.

Вливание пленки на основе смолы
Другой основанной на использовании вакуума технологией для авиационно-космических композитов является вливание пленки на основе смолы (RFI). При использовании этой технологии, полутвердые пленки на основе смолы переплетаются с сухими тканевыми материалами в односторонней форме. Затем на установку надевают эластичный мешок для вакуумного формования и откачивают воздух, оказывая давление на многослойную структуру и вытесняя любой вовлеченный воздух. При применении высоких температур пленка расплавляется и пропитывает тканевый материал жидкой смолой, которая со временем отвердевает. Подобно ряду других усовершенствованных технологий, RFI не требует наличия автоклава. Произведенные на основе данной технологии детали, как правило, не имеют пустот. Один из подрядчиков (GKN Aerospace) использует технологию RFI для создания различных конструктивных узлов для крыльев Airbus A380, и будет поставлять произведенные с использованием RFI лонжероны крыла для нового военного транспортного самолета Airbus A400M.

Сочетание высоких топливных затрат и конкурентная борьба между авиакомпаниями стимулирует внедрение мер по сокращению затрат в авиационно-космической промышленности. Опорные конструкции из пластмассовых композитов, с их небольшой массой, высокой прочностью и устойчивостью к усталости и коррозии, позволяют авиакомпаниям экономить. Сложной задачей, стоящей перед производителями композитных материалов, является разработка технологий производства с более низкими затратами, которые сделали бы композиты конкурентоспособными по отношению к легким сплавам металлов и маталлокомпозитам, которые тоже участвуют в борьбе за ведущую роль в производстве будущих самолетов. Новые композитные технологии, которые исключают дорогостоящее автоклавное оборудование, представляют собой один из способов решения этой задачи отраслью, занимающейся переработкой пластмасс.