5.5 Анализ весовой эффективности применения полимерных композиционных материалов в конструкциях самолетов [5]

Весовая эффективность применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкции планера самолетов, в частности фронтовой авиации, заключается в поиске возможностей значительного снижения массы конструкции и самолета в целом при широком использовании ПКМ. Увеличение доли применения ПКМ в конструкциях современных боевых самолетов и необходимость точного расчета весового эффекта от их применения проводится на самых первых стадиях проектирования самолета при формировании рационального облика перспективных боевых авиационных комплексов.

Весовая эффективность применения ПКМ в конструкциях самолетов определяется как величина снижения массы конструкции и самолета в целом при использовании в конструкции 1 кг ПКМ. Величины снижения массы конструкции и самолета в целом связаны коэффициентом роста массы (КРМ) самолёта, причем всегда КРМ > 1.

Следует отметить, что весовая эффективность применения ПКМ в конструкциях самолетов сильно зависит от стадии проектирования. Это связано с тем, что условия расчета КРМ принципиально зависят от этапа проектирования самолета, что приводит широкому диапазону значений этого коэффициента. Максимального весового эффекта от применения ПКМ воз­можно добиться именно на первых стадиях проектирования самолетов. В этом случае наблюдается синергетический эффект снижения массы самолета по замкнутой цепи событий: снижение массы конструкции - снижение расчетной полетной массы - снижение тяги силовой установки и размерности планера - снижение массы топлива - снижение расчетных нагрузок - снижение массы конструкции.

Статистика по серийным самолетам фронтовой авиации отечественной и зарубежной разработки, а также по проектам перспективных боевых авиационных комплексов показывает, что содержание ПКМ в их конструк­циях достигает 40% (истребитель EF-2000) и более (беспилотные разведывательные и ударные летательные аппараты).

Рациональный уровень применения ПКМ в конструкции самолетов фронтовой авиации различного назначения сильно варьируется из-за специфических требований эксплуатации. Важно определить его еще на первых стадиях проектирования самолета и точно рассчитать весо­вую эффективность применения ПКМ в рамках решения задачи формирования рационального облика самолета. Например, применение в конструкции фронтового штурмовика ПКМ должно быть ограниченным, исключительно в несиловых зонах (обтекатели, зализы, створки, рули) и возможно — для верхних панелей фюзеляжа и киля. Это объясняется эксплуатацией штурмовика в условиях активного огневого противодействия противника, причем основная угроза исходит из передней и нижней полусферы от огня автоматического стрелкового оружия и мелкокалиберной зенитной артиллерии. Количество воздействий таково, что при эксплуатации в боевых условиях штурмовик будет возвращаться с каждого вылета с десятками мелких повреждений. В таких условиях на штурмовиках применяются бронирование, дублирование и резервирование жизненно важных агрегатов, систем и экипажа, защита топливных баков (ТБ) от взрыва, интеллектуальные средства защиты, противоракетный маневр, статически неопределимые конструктивно-силовые схемы (КСС) агрегатов планера, компоновочные мероприятия по разнесению жизненно важных агрегатов, систем и коммуникаций.

Металлическая броня штурмовика в настоящее время не может быть заменена более эффективной в весовом отношении конструкцией из ПКМ. Кроме того, самолеты фронтовой авиации отечественного производства, особенно штурмовики, должны иметь возможность эксплуатации с грунтовых взлетно-посадочных полос (ГВПП). Эксплуатация самолетов с ГВПП характеризуется наличием на них большого количества посторонних предметов, которые часто попадают на наземных маневрах в самолет, причем больше всего попаданий в нижнюю и боковые поверхности средней (СЧФ) и хвостовой частей фюзеляжа (ХЧФ) и хвостовое горизонтальное оперение (ГО). При полетах на малых высотах самолеты фронтовой авиации сталкиваются с проблемами пылевой эрозии передних тупых кромок, что не позволяет применять ПКМ на передних кромках крыла, оперения, воздухозаборников. Хрупкий характер разрушения ПКМ из-за межслоевых сдвигов в матрице определяет большую зону разрушения в сравнении с металлической конструкцией. Ремонт в полевых условиях силовых конструкций из ПКМ в ВВС не отработан, а замена панелей целиком приводит к высокой стоимости и трудоемкости технического обслуживания самолета и как следствие — к низкому коэффициенту боеготовности парка самолетов. Поэтому в зонах с повышенным риском повреждений в эксплуатации использовать конструкции из ПКМ нецелесообразно.

Для фронтовых истребителей существуют свои эксплуатационные критические требования по применению ПКМ в конструкции. В данном случае на долю применения ПКМ больше всего влияет максимальная скорость полета, точнее число Маха. Самую большую долю применения ПКМ с максимальным весовым эффектом можно реализовать в конструкции фронтовых истребителей с максимальной скоростью полета М<2.1, поскольку диапазон температур поверхности обшивки планера лежит внутри диапазона эксплуатационных температур существующих ПКМ. Однако и в этом случае существуют зоны с повышенной рабочей температурой, где использование ПКМ практически невозможно - это мотогондолы силовой установки на базе ТРДДФ или ТРДФ, особенно в зонах форсажных камер. Вследствие большой тяговооруженности современных фронтовых истребителей и размерности современных силовых установок массовая доля металлических мотогондол в конструкции планера достаточно велика. Актуальны для фронтовых истребителей и требования по обеспечению боевой живучести, только здесь основное огневое противодействие исходит от истребителей, наземных и надводных зенитных комплексов ПВО. Соответственно для фронтовых истребителей основным поражающим фактором является поток осколков от осколочной боевой части управляемой ракеты класса "воздух-воздух" или зенитной управляемой ракеты. Наиболее атакоопасные направления для фронтовых истребителей - задняя полусфера и передняя полусфера, причем воздействие - разовое. В этих условиях применяемое на штурмовиках бронирование жизненно важных агрегатов, систем и экипажа нецелесообразно по массе, поэтому применяются защиту ТБ от взрыва, интеллектуальные средства защиты, противоракетный маневр, статически неопределимые КСС агрегатов планера, дублирование и резервирование жизненно важных агрегатов и систем, компоновочные мероприятия по разнесению жизненно важных агрегатов, систем и коммуникаций. Отсутствие металлической брони и менее жесткие требования по ремонту в полевых условиях позволяет значительно расширить применение ПКМ в конструкциях фронтовых истребителей в сравнении со штурмовиками. Появляется возможность широко использовать ПКМ в фюзеляже, крыле и оперении. Для фронтовых истребителей отечественного производства также усматривается эксплуатация в ГВПП, что ограничивает применение ПКМ в нижних и боковых поверхностях СЧФ и ХЧФ, а также хвостовом ГО при его низком расположении. Зато головная часть фюзеляжа (ГЧФ), в отличие от бронированной металлической ГЧФ штурмовика, может быть сделана преимущественно из ПКМ. Проблемы эрозии передних кромок крыла и оперения для фронтовых истребителей так же актуальны, как и для штурмовиков. Разница в стре­ловидности передних кромок крыла и оперения компенсируется ростом максимальной скорости полета у земли.

Для фронтовых истребителей с максимальной скоростью полета 2.1<М<2.35 имеются дополнительные ограничения по применению существующих ПКМ в зоне воздухозаборников и воздушных каналов силовых установок из-за торможения потока в них до дозвуковых скоростей с нагревом.

Для сверхзвуковых перехватчиков с максимальной скоростью полета М>2.35 использование существующих ПКМ в силовых конструкциях практически невозможно, поскольку уровень их термостойкости не покрывает эксплуатационный диапазон температур перехватчика. Здесь ПКМ могут успешно применяться только в деталях конструкции, защищенных от аэродинамического нагрева, таких, как отсеки оборудования, кабина экипажа.

Разработка новых ПКМ с высокой термостойкостью и уровнем механических и эксплуатационных характеристик выше, чем у металлических сплавов, является сложной научно-технической задачей, поскольку прочность таких ПКМ определяется прочностью полимерной матрицы и прочностью ее связи с армирующим заполнителем; механические свойства всех полимеров с ростом температуры падают быстрее механических свойств конструкционных металлических сплавов. Возможный прогресс по термостойкости композиционных материалов связывается с применением металлических, керамических, углеродных матриц, однако их механические свойства приближаются к свойствам металлических сплавов, стоимость чрезмерно высока, а технологичность понижена.

В долгосрочной перспективе с появлением гиперзвуковых летательных аппаратов ПКМ могут успешно применяться только в деталях конструкции, защищенных от аэродинамического нагрева, таких, как отсеки оборудования, кабина экипажа, криогенные топливные баки. В основной силовой конструкции гиперзвуковых летательных аппаратов применение ПКМ маловероятно, поскольку потребуется комплекс внешних теплозащитных покрытий (ТЗП), аналогичный воздушно-космическим самолетам (ВКС), который для длительного полета ЛА (десятки минут и более) неэффективен по массе. Во внешних охлаждаемых конструкциях использование ПКМ нерационально, а в горячих возможно применение только жаропрочных композиционных материалов с неорганической матрицей. Необходимо отметить, что ПКМ в конструкциях самолетов фронтовой авиации сегодня в основном применяются в зонах с доступом для наружного осмотра — больше всего в панелях планера, выходящих на теоретический контур. Использование ПКМ в деталях внутреннего, т.е. не выходящего на теоретический контур, силового набора конструкций самолетов фронтовой авиации, таких, как шпангоуты, лонжероны и стенки, ограничено проблемами боевой живучести и ремонтопригодности.

Например, обеспечить необходимую боевую живучесть конструкции многолонжеронного крыла можно только при применении ряда металлических лонжеронов, что исключает возможность создания продольного набора крыла только из ПКМ. Именно поэтому истребитель 5-го поколения F-22 имеет продольный набор крыла из титановых силовых лонжеронов и вспомогательных лонжеронов из ПКМ. Рациональный уровень применения ПКМ в конструкции самолетов фронтовой авиации различен в каждом конкретном агрегате планера. Например, в мелких, несиловых деталей (обтекатели, зализы, створки, рули) доля применения ПКМ достигает 80-100%. В оперении самолетов фронтовой авиации доля применения ПКМ может достигать 50-90%, в крыле - 50-80%, а в фюзеляже - всего 20-30%.

Вследствие того, что масса фюзеляжа определяет массу планера, суммарная доля ПКМ в конструкции самолетов фронтовой авиации достигает только 40%.

Весовая эффективность применения ПКМ в конструкции самолетов фронтовой авиации зависит в первую очередь от конкретного агрегата планера, уровня нагрузок, количества стыковых узлов, разъемов, люков и других особенностей конструкции, а также от специфических условий эксплуатации. Самая высокая эффективность применения ПКМ наблюдается для несиловых деталей (обтекатели, зализы, створки, рули), поскольку толщины в них назначаются конструктивно или по технологии, а массу прямо определяет плотность используемого конструкционного материала. В этом случае замена алюминиевого сплава с плотностью 2,8 на углепластик с плотностью 1,55 позволяет снизить массу детали на 45%. Для рулей этот эффект может быть еще выше благодаря снижению массы противофлаттерных балансировочных грузов.

Для более сложных силовых деталей становятся важны конкретные типы действующих силовых факторов и механические характеристики материала при их восприятии - здесь сильно сказывается ярко выраженная анизотропия механических характеристик ПКМ. Учитывая анизотропность механических характеристик, выгоднее всего применять ПКМ в деталях работающих на одноосные нагрузки: полки лонжеронов и шпангоутов, стенки лонжеронов и шпангоутов. Тем не менее, благодаря значительному преимуществу по удельным механическим характеристикам перед металлическими сплавами ПКМ эффективно применяются и в условиях двухосных и трехосных нагрузок для внешних панелей планера. Это достигается рациональной укладкой слоев армирующих волокон.

Необходимо отметить, что простая замена металлического сплава на ПКМ в конструкции самолета часто не дает высокого результата. Применение ПКМ должно сопровождаться грамотной разработкой макросиловых и микросиловых схем. Дело в том, что значительная часть конструкции самолетов фронтовой авиации в эксплуатации работает с допускаемой потерей устойчивости обшивок, а панели из ПКМ в отличие от металлических не допускают потери устойчивости, так как это ведет к разрушению ПКМ от межслоевого сдвига в матрице. Это требование при сохранении микросиловой схемы металлической конструкции вызывает увеличение толщины обшивки в панели из ПКМ, что ведет к росту массы и снижению весового эффекта от применения ПКМ. Выход заключается в создании панелей из ПКМ с повышенной изгибной жесткостью, например трехслойных с различными заполнителями, что ликвидирует угрозу потери устойчивости панели в эксплуатации и обеспечивает дополнительный выигрыш в массе, в том числе и за счет модификации макросиловой схемы в сторону уменьшения количества силовых элементов. Такой подход позволяет получить выигрыш в массе панелей крыла, оперения, фюзеляжа из ПКМ до 40%.

Наличие большого количества стыковых узлов, разъемов, люков и других особенностей конструкции снижает весовую эффективность применения ПКМ, поскольку требует введения в конструкцию металлических узлов и окантовок.

Осредненная оценка весовой эффективности применения ПКМ в конструкции самолетов фронтовой авиации показывает, что 1 кг примененного в конструкции ПКМ с современным уровнем механических характеристик снижает массу конструкции на 0,5 кг или на треть. Данная оценка справедлива для малого изменения в конструкции в условиях зафиксированных проектных параметров на этапах эскизного проектирования и рабочего проекта. Реальная весовая эффективность применения ПКМ в конструкции значительно зависит от общего объема применения ПКМ в планере, поскольку сначала используются наиболее выгодные по массе решения по применению ПКМ. Однако и при такой упрощенной оценке реальная зависимость весового эффекта применения ПКМ от массовой доли его применения в конструкции носит сложный характер. По мере повышения доли применения ПКМ до предельных и реально недостижимых 100% весовая эффективность применения ПКМ в пересчете на долю применения ПКМ линейно снижается с 1/2 до 1/3; предельно достижимая гипотетически величина снижения массы конструкции составляет 1/3 или 33%.

Необходимо отметить, что для реально достижимого уровня применения ПКМ в конструкции самолетов фронтовой авиации 40% величина снижения массы конструкции составляет 1/6, или 17%. Разумеется, эта оценка применима в условиях зафиксированных проектных параметров на этапах эскизного проектирования и рабочего проекта, когда наблюдаемый весовой эффект применения ПКМ компенсируется ростом массы других частей самолета, т.е. когда взлетная масса остается постоянной.

При реальных коэффициентах роста массы в диапазоне 3-5 для самолетов фронтовой авиации на первых этапах проектирования и статистической относительной массе конструкции планера из металлических сплавов 30% в нормальной взлетной массе получаем снижение проектной взлетной массы самолета на 15-25%.

Выводы:

1) Весовая эффективность применения ПКМ в конструкции современных самолетов фронтовой авиации по планеру достигает 1/6, или 17%, а по нормальной взлетной массе — 15-25%.

2) В начале проектирования современных самолетов фронтовой авиации абсолютно необходимо точно определять степень применения ПКМ, рассчитывать прогнозируемый весовой эффект применения ПКМ с уточнением КРМ и осуществлять формирование рационального облика самолета по новым исходным данным.