Facebook

Авиастроение

Лёгкие и прочные силовые элементы летательных аппаратов

Индустрия

Применение композитных материалов в самолётостроении обеспечило новый качественный скачок в увеличении мощности летательных аппаратов и уменьшении их массы.

Объёмы авиаперевозок по всему миру ежегодно растут, и повышаются требования по обеспечению безопасности полётов. За счёт использования композитных материалов удаётся достичь улучшения функциональных характеристик с соответствующим повышением надёжности летательных аппаратов и безопасности полётов.

Снижение расхода топлива и увеличение дальности полёта

Преимущества применения углекомпозитов

Использование композитных материалов на основе углеродного волокна позволяет снизить вес летательных аппаратов в среднем на 30%, сохранив при этом высокую прочность конструкции.

Данный материал обладает высокой вибрационной и коррозионной стойкостью, что обеспечивает продолжительный срок службы и безопасную эксплуатацию механизмов.

Преимущества композитных деталей на основе углеволокна в авиастроении перед деталями изготовленными из сплавов металлов:

  • Весовые качества
  • Высокая прочность
  • Устойчивость к коррозии
  • Высокие усталостные характеристики
  • Износостойкость

Углепластик имеет малый удельный вес — 1,5 г/см³ (алюминиевые сплавы — 2,8 г/см³, титановые сплавы — 4,5 г/см³).
Деталь из композитов может быть до 80% легче металлической.
Прочность и жёсткость углепластиков примерно в шесть раз выше, чем у основных сортов стали.


Сравнительные характеристики углеволокна и других материалов

Тип волокна




Прочность при растяжении, МПа Модуль упругости при растяжении, ГПа Удлинение при разрыве, % Плотность, г/см3
Углеродное (на основе ПАН-прекурсора) высокопрочное со стандартным модулем 3500-5000 200-280 1,4-2,0 1,75-1,80
высокопрочное среднемодульное 4500-7000 280-325 1,7-2,1 1,73-1,81
высокомодульное 3500-5000 325-450 0,7-1,4 1,75-1,85
сверхвысокомодульное 2500-4000 450-600 0,7-1,0 1,85-1,95
Стеклянное E-стекло 2500-3800 70-75 4,5-4,7 2,5-2,7
S-стекло 4000-4500 80-90 5,0-5,3 2,5
Органическое Арамидное 3000-3600 60-180 2,4-3,6 1,45
Полиэтиленовое 200-3000 5-170 3-80 0,96
Стальное высокопрочное 1200-2800 200 3,5 7,8
нержавеющее 800-2000 190 3,0 7,8
Базальтовое 3000-4800 90-110 3,0 2,6-2,8
Борное 3500-4000 350-400 0,5-0,7 2,6

Применение


В современных летательных аппаратах используются ткани и препреги на основе углеродных волокон

Композиты используют в изготовлении ряда частей авиалайнера. В их числе:

  • Воздушные тормоза
  • Интерцепторы
  • Элероны
  • Закрылки
  • Рули направления и рулевые поверхности
  • Элемент конструкции сложного закрылка
  • Пилоны
  • Панели коробки приводов
  • Люки коробки приводов
  • Лопасти винтов
  • Панели крыльев вертикального и горизонтального оперения
  • Элементы силового набора (центроплан, кессон, лонжероны, стрингеры, нервюры)
  • Элементы обшивки фюзеляжа
  • Элементы внутреннего силового набора (балки и панели полов, перегородки)
  • Детали интерьеров и отделки
  • А также двери, капоты авиадвигателя и многое другое

В вертолётостроении композитные материалы из углеродного волокна используют для изготовления:

  • Лопастей несущего винта
  • Силовых элементов фюзеляжа
  • Корпусных деталей

Из углеродных композитных материалов разработаны детали колёсных тормозов для самолётов. Их вес составляет около 30% от веса стальных тормозов.

3000 Посадок

Ресурс тормозных устройств из этих материалов.
Это в пять-шесть раз превышает срок эксплуатации обычных тормозов.


Современные вертолёты на 15% состоят из углеродных композитных материалов.

 Их вес составляет около 30% от веса стальных тормозов

Историческая справка

История использования композитных материалов в самолётостроении началась в 30-х годах прошлого века с использования стеклопластика для изготовления формообразующей оснастки.

Появление композитных материалов на основе углеродного волокна в 1961 г. совершило революцию в авиастроении, и углепластик стал альтернативой тяжеловесным металлам. Спустя 20 лет углепластик в самолётостроении стали применять повсеместно.

Опыт


В современных самолётах доля композиционных материалов по массе составляет 50%.

50% Композиционные материалы
20% Алюминий
15% Титан
50% доля композиционных материалов
Сталь 10%
Остальные 05%

Соотношение материалов, использующихся в конструкции A350

52% от веса Airbus A350 составляют композиционные материалы, 20% — алюминий, 14% — титан, 7% — сталь, 7% — остальные. В самолёте Вoeing 787 Dreamliner наблюдается схожее соотношение: 50% — композиционные материалы, 20% — алюминий, 15% — титан, 10% — сталь, 5% — остальные.

Вывод

Внедрение композитных материалов в авиастроении позволило получить элементы конструкций воздушных судов с заданными параметрами прочности, надёжности, безопасности и другими эксплуатационными характеристиками.


Лёгкие и прочные углекомпозиты позволяют совершенствовать конструкции современных летательных аппаратов, снижать расход топлива и увеличивать дальность полёта.