История гражданской авиации мира знает примеры самолетов, конструктивные детали которых изготовлены из композитов. В этот немногочисленный перечень входят в основном широкофюзеляжные дальнемагистральные лайнеры, а вот для узкофюзеляжных самолетов композиты использовались ограниченно.
Причина была одна – производство полимерных композитов было дорогостоящим, поэтому говорить об экономическом эффекте и выгоде можно было только в случае с большими самолетами. Но то было в 90-х годах прошлого столетия, и на рубеже веков, а сегодня уже другое время.
И конструкторы корпорации «Иркут», а также ОКБ им. Яковлева на деле доказали, что применение композитов в производстве МС-21 не только дает экономическую выгоду, но еще и существенно улучшает технические параметры лайнера. Эксперты отмечают, что был проведен комплексный анализ, просчитан возможный эффект по ряду параметров, выполнено математическое моделирование, тестирование элементов. Только после серьезной работы, где изучался весь спектр технологий, и получения всех экономических расчетов было принято решение о возможности использования углепластика для производства крыла лайнера. При этом выбор был сделан в пользу метода вакуумной инфузии, который более экономичен, чем автоклавный.
Частотные испытания МС-21-300-0001
Но в то же время конструкторы поясняют, что не только стоимость была взята за основу, но еще и тот факт, что благодаря новым технологиям появилась возможность создавать более совершенные, а значит, и более надежные конструкции. Данные технологии разработаны специалистами ульяновского завода «Аэрокомпозит» в тесном сотрудничестве с зарубежными коллегами. И хотя метод вакуумной инфузии известен давно, только российские инженеры и конструкторы смогли использовать его в производстве отдельных конструкций для лайнеров.
Удлинение
Одним из важнейших преимуществ, которое дает использование композитов, является возможность изготовления крыла, имеющего низкое лобовое сопротивление. Достигается это за счет удлинения конструкции, а также более тонкого профиля.
Нужно сказать, что в любом авиационном бюро конструкторы стремятся увеличить удлинение крыла. Но есть определенные пределы, так как длинное алюминиевое крыло требует и более толстого профиля. А это значит, что эффекта от удлинения не получается, поэтому и существуют предельные коэффициенты.
Композитный материал более жесткий, чем алюминий, поэтому можно удлинить крыло, при этом не увеличивать его толщину. Стандартный коэффициент удлинения крыла из алюминия – 8-9 (это лайнеры прошлых поколений). Чуть больше у современных самолетов - 10-10,5. Коэффициент удлинения у МС-21 равен 11,5.
Что это дает? Цифры говорят сами за себя: увеличение аэродинамического качества примерно на 6%, снижение топлива на 7-8%. В среднем за годы эксплуатации самолеты типа МС-21 сжигают более 140 тысяч тонн топлива. Использование крыла из углепластика позволит сэкономить около 11 тысяч тонн горючего.
В этом отношении МС-21 превосходит все зарубежные аналоги и получает очень весомое конкурентное преимущество.
Легкость
Производство элемента крыла на предприятии "АэроКомпозит-Ульяновск"
Композитные материалы по многим техническим характеристикам превосходят алюминий. Углепластик, из которого изготавливают крыло для МС-21, отличается прочностью, жесткостью, жаропрочностью, долговечностью. Он устойчив к хрупкому разрушению и сохраняет все свои свойства при резких сменах температурных режимов.
Одним из важных параметров является легкость материала, и именно этот показатель был взят конструкторами за основу. Согласно теоретическим выкладкам, использование композита должно было привести к уменьшению общей массы лайнера примерно на 15%.
При изготовлении таких «монстров» авиации как Airbus 350XWB и Boeing 787 такого эффекта не произошло, вес остался прежний. А все дело в том, что в те годы специалисты не обладали всем багажом точных знаний о свойствах композитов. Поэтому при изготовлении элементов для лайнеров использовался более большой запас прочности. Так, запас прочности для конструкций из алюминия не превышал коэффициент в 1,5, а вот для элементов из углепластика все было иначе. Для подстраховки и обеспечения надежности, безопасности брали запас с коэффициентом 5 или даже 7.
Но благодаря кропотливой работе ученых были более глубоко и точно исследованы все свойства композитных материалов. Выяснилось, что запас прочности можно снижать, а за счет этого будет уменьшаться и масса всей конструкции лайнера.
Сегодня общий объем композитных материалов, которые используются при изготовлении МС-21, является самым большим среди всех лайнеров подобного класса. Эксперты отмечают, что доля композитов составляет примерно от 30% до 40%.
Экономический эффект
Нельзя не рассматривать и такой показатель как удешевление производства.
Длительное время использование композитов при производстве самолетов было ограничено из-за высокой стоимости материалов. Для сравнения: килограмм алюминия, используемого в авиастроении, стоит около трех долларов, а килограмм композита – 400 долларов. Именно из такого углепластика были выпущены фюзеляж и крылья Боинга-787.
Снизить стоимость позволили новые технологии производства композитных материалов, применение автоматизации на производстве. При этом надо не забывать, что сборочные операции такого масштаба автоматизировать очень непросто, а потому российские конструкторы нашли другой вариант. Ими предлагается сборка из готовых интегральных конструкций, а не из отдельных деталей.
Именно такие конструкции приходят с завода «Аэрокомпозит» в цеха корпорации «Иркут». Специалистам уже не приходится собирать мелкие детали, а значит, уменьшается весь производственный цикл.
Существенно удешевить стоимость позволил и отказ от технологии автоклавов, когда композиты получались путем формования из полуфабрикатов – препрегов. Данный способ использовался во всем мире, и у него есть ряд серьезных недостатков: длительность процессов, высокая стоимость получаемых материалов, дорогое технологическое оборудование. Также «минусом» являлся и небольшой срок хранения препрегов.
Благодаря новой технологии «прямых» процессов, а именно – вакуумной инфузии, удалось снизить время производственного цикла, уменьшить трудовые и энергозатраты. Но очень важно отработать технологию, чтобы наладить выпуск деталей, имеющих стабильные технические характеристики.
Сегодня можно сказать, что специалистам завода «Аэрокомпозит» это удалось. Их американские коллеги еще в 2006 году занимались данным вопросом, но не нашли решения. А вот инженеры «Аэрокомпозита» почти четыре года искали и выбирали по всему миру материалы, оборудование, а также разрабатывали технологии для автоматической выкладки сухого углеродного наполнителя.
Были проведены тесты, выбраны волокна, переплетения, просчитаны все зазоры между лентами композитной ткани.
Такой метод позволяет за один цикл создать интегральную деталь лайнера, тем самым снижая трудоемкость процессов почти на 8%.
Технологический процесс продуман до малейших деталей, все производства расположены в «чистых» цехах, по своей стерильности схожих с медицинскими операционными. В итоге на заводе организован полный технологический цикл, который начинается с выкладки вспомогательных материалов и подготовки оснастки и заканчивается покраской и сборкой консоли.
Как видим, проект МС-21 – это образец комплексной модернизации в самолетостроении, который позволяет обеспечить и российским лайнерам превосходные конкурентные характеристики.