Композиты в свое время совершили настоящую революцию в авиастроении и продолжают развиваться. Сегодня самолеты уже больше, чем наполовину состоят не из металла. На новейшем МС-21 используется целое крыло, изготовленное из углепластика. Это нововведение не только для отечественной гражданской авиации, но и для среднемагистральных лайнеров во всем мире. Корпорация «Иркут» уже завершила постройку первого самолета МС-21-300, крыло которого изготовлено из полимерных композиционных материалов.
Рассказываем, из чего строят современные самолеты, как создают «черное крыло» и какие преимущества предоставляет лайнеру углепластик.
Композиты в небе
Композит – это материал, состоящий из двух или более компонентов, которые в сочетании друг с другом создают новый материал или улучшают характеристики одного из них. Таким образом, все композиционные материалы в своем составе имеют матрицу и жесткий армирующий наполнитель. Как правило, роль наполнителя играют углеродные или стеклянные волокна, а матрица – это полимерный материал. Такая конструкция позволяет создавать легкие, но очень прочные детали. Поэтому именно в авиастроении композиты стали особенно популярны – они увеличивают прочность авиационных деталей, снижают их вес и увеличивают антикоррозийную стойкость.
Применять композиционные материалы авиаконструкторы начали примерно с 1960-х годов. С того времени объем использования композитов в авиации неуклонно возрастает. Например, ровно половину веса самолета Boeing 787 Dreamliner составляют композиционные материалы, 20% – алюминий, около 15% – титан, 10% – сталь.
В конструкции российских лайнеров также используются композиты, причем давно. Еще в начале 1990-х в среднемагистральном Ту-204 из композитных материалов было сделано 25% деталей, в том числе вся механизация крыла, а также панели люков, полов и интерьера. В самолете Sukhoi Superjet 100 из композитных материалов выполнены закрылки, створки шасси, обтекатели и другие элементы. Рекордсменом среди отечественных лайнеров стал среднемагистральный МС-21 – на композиты приходится 40% массы. Кроме того, это первый российский самолет с крылом, полностью состоящим из композиционных материалов, а также первый в мире среди лайнеров такого класса.
Долгое время было распространено мнение, что композиты выгодно использовать только на больших летательных аппаратах – широкофюзеляжных дальнемагистральных лайнерах. Не такие большие, хотя и более массовые узкофюзеляжные самолеты, получали лишь некоторые композитные детали, такие как элементы механизации крыла. В проекте МС-21 конструкторы корпорации «Иркут» продемонстрировали, что использование композитов для изготовления крыла среднемагистрального самолета выгодно по всем параметрам.
«Черное крыло» для российской авиации
При создании самолета конструкторы всегда стараются увеличить удлинение крыла – отношение размаха крыла к средней хорде крыла. Ведь, чем длиннее крыло, тем меньше сопротивление. Однако проблема в том, что удлинение крыла приводит к увеличению массы конструкции. Ведь алюминий – мягкий металл, и чтобы крыло из него вышло достаточно жестким и не прогибалось в полете, нужно существенно увеличить его толщину. Поэтому удлинение алюминиевого крыла на самолетах не превышало 8-9. Углепластик – более жесткий материал, поэтому крылья из него могут достигать удлинения 10-11, и даже выше. Для углепластикового крыла МС-21 удалось достичь этого показателя на уровне 11,5.
Композитное крыло, которое часто называют «черным крылом» из-за характерного цвета углепластика, считается главной особенностью МС-21. Оно позволяет новейшему российскому лайнеру расходовать на 8% меньше топлива по сравнению с существующими аналогами. Специалисты подсчитали, что за свою «жизнь» среднемагистральный самолет с «обычным» алюминиевым крылом тратит порядка 140 тыс. тонн горючего. Только за счет композитного крыла МС-21 сможет сэкономить более 11 тыс. тонн топлива. Плюс к этому преимуществу – увеличенная крейсерская скорость и высота полета.
Прочнее, легче и дешевле
Композиты считаются достаточно дорогим удовольствием – килограмм дюрали для самолета стоит в разы дешевле, чем килограмм углепластика. Несмотря на это, производство и применение композитов в авиастроении остается выгодным. При этом выбор правильной технологии изготовления композитов может даже снизить суммарную себестоимость лайнера.
На сегодняшний день известны два основных способа производства композитных элементов. Первый –– традиционный, автоклавный. В этом случае формируется своеобразный «сэндвич»: внутри – алюминиевые соты, сверху и снизу – сотни слоев углепластика, которые наносятся лазерным проектором слой за слоем. После выкладки этот «сэндвич» (препрег) проводит восемь часов в автоклаве, где превращается в прочную и легкую авиационную деталь.
Второй способ производства композитных элементов – инфузионная технология. Главное достоинство данного метода – возможность изготовлять за один технический передел весьма сложные конструкции, например, панель крыла. С препрегами такое не провернуть – конструкцию пришлось бы собирать из отдельных деталей, то есть потратить больше времени, а главное увеличить вес из-за использования крепежа. Кроме того, для инфузионной технологии не нужны автоклавы, которые особенно затратны для крупных деталей. Все эти преимущества делают производство «черного крыла» выгодным.
«АэроКомпозит-Ульяновск» – единственный в России завод по производству авиадеталей из композитов при помощи инфузионной технологии. Здесь данная технология впервые в мире применяется при изготовлении крупногабаритных конструкций – панелей кессона крыла. Именно на «АэроКомпозите» производят целиком «черное» крыло для МС-21. На предприятии проходит полный технологический цикл – из Ульяновска в Иркутск приходит уже готовая консоль крыла. Тем самым не нужно тратить время и затраты на сборку непосредственно на авиазаводе.
Корпорация «Иркут» уже завершила постройку первого самолета МС-21-300, крыло которого изготовлено из полимерных композиционных материалов российского производства. 30 ноября 2021 года самолет был переведен из цеха окончательной сборки Иркутского авиационного завода в летно-испытательное подразделение.
Вклад композитных материалов в авиастроение сложно переоценить. В то же время, авиастроительная отрасль сыграла значительную роль в эволюции самих композитов. Стремление конструкторов сделать самолеты прочнее и легче, становится стимулом для создания все более легких и прочных материалов. Ими стали композиты и совершили своеобразную революцию в авиастроении и ракетно-космической области. Сегодняшнее применение композитов в этой сфере – лишь начало большого пути.
