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.
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.
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%.
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.