Композитные технологии сильны разнообразием
В последнее время без упоминания композитов не обходится ни одно описание авиационных новинок. Создается впечатление, что чем меньше в самолете металла, тем он совершеннее. В чем сила композитов и какие у них могут быть недостатки, "Военно-промышленному курьеру" помогал разобраться заместитель генерального директора Национального института авиационных технологий (НИАТ) и руководитель научно-методического центра "Норма", занимающегося сертификацией авиационных технологий, доктор технических наук Василий Подколзин.
– Василий Григорьевич, можно ли считать, что композиты заменят в авиационном и космическом производстве традиционные металлы, или их ниша все-таки ограниченна?
– Все материалы непрерывно совершенствуются, металлы в том числе. Композиты с ними постоянно конкурируют, притом что существует понимание, в каких случаях одно не может заменить другое. Оптимальное конструкторско-технологическое решение позволяет улучшить характеристики воздушного судна и определить, какой материал станет наиболее подходящим для того или иного элемента. Традиционно принято считать, что крыло проще и выгоднее сделать из металла. А закрылки, элероны – это уже композитные сотовые конструкции. Но когда речь зашла о крыльях с большим удлинением, а именно такое, с коэффициентом 11,5, у нового МС-21, расчеты показали: в данном случае лучше использовать композитные технологии. Необходимо обеспечить требуемую прочность при минимальном весе, надежность, долговечность, но где какой материал использовать, решает конструктор.
– Только что миру показали беспилотники, атаковавшие авиабазу "Хмеймим". Там, кроме двигателя, вроде металла вообще нет – пластик, дерево, скотч.
“Эйфория не вполне оправданна. Если композиты и заменят полностью металл, то очень не скоро”
– Это как раз хорошая иллюстрация: конструктор определяет, что из чего сделать, исходя из требований, предъявляемых к летательному аппарату. Для таких беспилотников, которые в боевых условиях по сути являются одноразовыми, требования к надежности весьма скромные. И что мы видим? Бензобак из пластиковой бутылки, мотор от газонокосилки, но ведь конструкция гениальна в своей простоте и полностью соответствует поставленной задаче. Я не говорю об управляющей электронике, речь, собственно, о планере. Как сделаны плоскости, как все скомпоновано… Такое способен создать только профессионал высочайшего класса. Как мы "Калибрами" всех поразили, так нас в свою очередь этими "дронами с мусорной свалки". Профессиональная работа конструктора и технолога! Терроризм становится интеллектуальным.
– В каком направлении могут развиваться композитные технологии?
– История композитов древнее человечества. Классический пример – дерево, внутри которого находится волоконная матрица, соответствующим образом связанная в единую структуру. Это типичный однонаправленный композит, обладающий рядом специфических свойств: прочность в направлении волокон, гибкость в поперечном сечении… Все элементы конструкции по заданной программе формируются в нужное время и в нужном месте, точность – до молекулы. Если брать шире, то отчасти композитной конструкцией можно считать и конструкцию крыла первых самолетов – деревянный каркас и нервюры, полотняная обшивка со специальной пропиткой. То есть создавалось некое изделие с требуемыми свойствами. Ныне в классификации композитов подобные конструкции называются гибридными. Скажем, в "Буране" они применялись достаточно широко, когда металлическая растяжка переходит в композитный узел, образуя с ним единое целое. Все вместе работает как сложнонапряженная конструкция, создавая с обшивкой каркас жесткости.
– До саморастущих композитных изделий с заложенной внутри матрицей нам далеко, видимо. Что имеем сегодня?
 |
| Василий Подколзин. |
| Источник: Алексей Песков |
– В ходу два основных способа производства композитных изделий: традиционный и инфузионный. Традиционный называется автоклавным, он используется "Боингом" и "Эрбасом", он же применяется при создании элементов крыла истребителя Су-57 и гражданского SSJ. Крыло формируется из панелей с сотовым заполнителем, покрытым обшивками из композита – уложенного под разными углами углеродного волокна, пропитанного специальными смолами. Полученный пакет выдерживается в автоклаве, где приобретает требуемую прочность.
Близок к автоклавному и способ создания цилиндрических композитных изделий методом намотки различных волокон, например углеродной нити. Метод используется для создания баллонов высокого давления и различных агрегатов самолета, применяется при изготовлении корпусов подводных лодок.
Автоклавная технология стала применяться в 80-е годы, она дает хорошее качество, но не обладает преимуществами конвейерного производства. Хотя традиционная выкладка угле- и стекловолокна – ранее работа ручная и чрезвычайно кропотливая – сегодня выполняется автоматизированными методами. Как, например, в производстве самолета МС-21.
– Какой же выход для массового производства?
– Наиболее современный метод изготовления композитных изделий – технологии, что ныне используются для создания "черного крыла", которое делается по программе МС-21. Способ называется вакуумной инфузией. Обычно считается, что в композите волокно должно быть распределено равномерно, это обеспечивает изотропность, то есть одинаковость свойств материала. Здесь же заведомо закладывается неравномерность распределения волокна между слоями. Выкладка проводится автоматически с помощью специального робота. Также возможно силовые элементы крыла, стрингера включить в единую композитную конструкцию. И получается, что классические приемы создания крыла из разных элементов и материалов мы теперь воспроизводим на совершенно ином уровне, формируя все в едином изделии. Технология западная, нам ее помогали внедрять компании, занимавшиеся созданием лопастей для ветрогенераторов, и на МС-21 проходит освоение самых передовых методик, используемых в авиастроении. Интересно, что у нас данный метод тоже существовал, но не в авиации – лет двадцать назад таким образом экспериментировали с изготовлением элементов корпусов троллейбусов. Сейчас же углеволокно и связующие для производства "черного крыла" закупаются за рубежом, но всеми правами на конкретную методику обладает наша страна, поскольку разработка велась по российскому заказу.
– То есть в авиационных композитах мы отстаем от западных конкурентов?
– Если бы я услышал этот вопрос в 80-е годы, ответом стало бы категорическое нет. Тогда развитие композитов для авиации шло очень интенсивно, во многих направлениях мы реально были даже не лидерами, а идеологами. Возьмем Ан-124 "Руслан", созданный в те годы. Он был абсолютным рекордсменом по объему композитных материалов, западные аналоги и близко не стояли. Лидерами в "композитостроении" были КБ Антонова и Сухого, они этому направлению уделяли огромное внимание. Ныне максимальный показатель – у "Боинга-787" Dreamliner. Доля композитных материалов в нем – около 50 процентов. У МС-21 – порядка 30 процентов.
– И когда возникло отставание?
– Было ощущение, что в 90-е откуда-то сверху пришла установка – свернуть направление. Никаких приказов или распоряжений, просто у разработчиков начали стремительно сокращаться заказы, а те договоры, которые удавалось заключить, волшебным образом не доживали до реализации. Было огромное количество великолепных химиков, технологов, но все развалилось. И теперь главная проблема восстановления направления заключается в отсутствии кадров.
– Но в будущем авиация наша полетит на "черном крыле" или ожидаются какие-то другие перспективные технологии?
– Нынешняя эйфория – еще чуть-чуть и композиты полностью заменят металл – не вполне оправданна. Если такое и произойдет, то очень не скоро. Все расхваливают прочность углеродного волокна: мол, паутинка куда прочнее сопоставимой по толщине нити из металла. Но она не прочнее, просто у нее меньше дефектов, а при микронных сечениях именно они главным образом влияют на прочность. А ведь есть еще и металлические композиты, это отдельная область, причем очень перспективная. Скажем, борволокном армируются алюминиевые и магниевые сплавы, которые в результате получают совершенно новые свойства. То есть металлы, как и обычные композиты, приобретают заранее заданную структуру.
– Что можно отнести к недостаткам композитов?
– Для примера давайте рассмотрим конструкцию закрылков, предкрылков – всех элементов, меняющих аэродинамику. Они, не испытывая больших нагрузок, уже традиционно изготавливаются в виде композитных сотовых конструкций. Легкие, надежные. Но взлет-посадка – это скачки давления, огромные перепады температуры. А все клеевые соединения в той или иной степени подвержены диффузии, они не могут обеспечить полную герметичность на протяжении длительного времени. В результате внутри конструкции происходит конденсация и в конце концов там образуется вода, утяжеляющая деталь и тем самым влияющая на ее характеристики.
Василий Подколзин
Беседовал Алексей Песков
Опубликовано в газете "Военно-промышленный курьер" в выпуске № 4 (717) за 30 января 2018 года