Летательные аппараты военного назначения были, по-види­мому, первыми, в которых стекловолокнистЫе композиты (СВКМ) были использованы в значительных количествах. Впервые в 1940 г. СВКМ были применены для изготовления обтекателей, затем во вторичных конструкциях и далее во внутренних деталях. Фюзе­ляж с использованием СВКМ был сконструирован и испытан в аэродинамической трубе на базе ВВС США в Райте в 1944 г.

Крылья из СВКМ "были испытаны в аэродинамической трубе типа АТ-6 в 1953 г. С этого времени СВКМ стали широко исполь­зоваться для изготовления защитных куполов радиолокационных антенн, рулей, закрылков и обтекателей [1 ]. Однако проблемы надежности и контроля качества, а также низкая жесткость и прочность при сжатии этих материалов в основном ограничивали их использование в летательных аппаратах военного назначения, хотя они были успешно использованы при изготовлении двух легких гражданских летательных аппаратов «Пилер Кэб» и «Игл I» (рис. 28.1) исследовательской фирмы «Винде- кер» [2].

Оказалось, что избранные высокоскоростные процессы произ­водства могут снизить первоначально высокую стоимость методов ручного формования. Авиационные конструкции на основе СВКМ позволяют получать целый ряд преимуществ по сравнению с обычно используемыми металлическими, включая благоприятное отношение прочности к массе, стойкость к усталостным воздей­ствиям, прекрасную поверхностную отделку, свободу аэродина­мических решений и профилирования, необычную стабильность размеров, однородность материала, упрощенную инженерную разработку и простоту изготовления. Кроме того, предполагается наличие высокой стойкости к износу, образованию зазубрин, дождевой эрозии и коррозии.

Быстрое внедрение СВКМ в авиационную технику с 1940-х

Годов породило новую технологию — технологию композитных материалов. Необходимые для конструирования летательных аппа­ратов возможности использования и эксплуатационные характе­ристики таких композитов были тогда в основном несколько ниже, так как модуль упругости этих материалов был ниже по сравнению с металлами, и в силу этого они оказались непри­годны для использования в высоконагруженных конструкциях. ■ В 1966 г. с внедрением борных волокон резко возрос интерес к композитным конструкциям и, с учетом запаса времени, не - обходимого для проведения глубоких исследований, были полу­чены новые данные и разработана новая техника конструирова­ния, сделавшая КУС материалами, пригодными для практичен ского применения при конструировании летательных аппаратов.] Эти новые научные достижения распространились и на стекло­пластики, существенно оптимизировав их разработку. Если ранее стеклопластиковые компоненты разрабатывались в основном с 4— 5-кратным запасом прочности, то теперь с использованием новой компьютерной технологии запас прочности был существенно снижен до практически реальных величин, приводящих к опти­мальной экономии массы и снижению стоимости.

До недавнего времени композитами только заменяли другие материалы в деталях, первоначально разработанных на основе изотропных материалов. Полностью возможности анизотропных продуктов могли быть использованы только в тех случаях, когда их применение осуществлялось уже на начальном этапе разра­ботки.

В силу того, что масса летательного аппарата оказывает пря­мое влияние на. его эксплуатационные показатели (дальность полета, полезную нагрузку, расход топлива и множество других взаимосвязанных факторов, зависящих от массы), эту величину следует учитывать при любой экономии массы. Ограничивающей величиной в этом случае является скорость или та максимальная денежная сумма, которую потребитель готов потратить на один килограмм сэкономленной массы. Она определяется на очень ранней стадии разработки конструкции летательного аппарата. Такой подход используют по отношению как к гражданским, так и к военным летательным аппаратам, хотя база для расчета раз­лична в каждом из рассматриваемых случаев.

Для обычных малых гражданских самолетов, которые в основ­ном редко летают с полной нагрузкой или на предельные расстоя­ния, эта величина, отнесенная к единице массы, едва превышает 55 долл. на 1 кг массы. Однако этот показатель может быть уве­личен в 10 раз и даже более для существенно более сложных ле­тательных аппаратов, таких как сверхзвуковой транспортный самолет или самолет вертикального взлета и посадки, в котором отношение полезного груза к массе летательного аппарата яв­ляется определяющим. Это видно из отношения такого сущест - 542

Венно меняющегося параметра, доля/кг

Как окупаемость, к стоимости используемых новых материа- ггоо лов. Полученный результат сле­дует рассматривать как характе - 1100 ристику экономичности приме - tQg0 нения.

На рис. 28.2 показана эко - 900 номия массы, определенная для ggQ ряда летательных воздушных и космических аппаратов [3, іоо 4, 5]. Эти показатели явля­ются весьма приблизительными 600 и могут существенно изме - 500 няться в зависимости от на­значения или стадии разра­ботки. Для каждого нового летательного воздушного или космического аппарата обычно Z00 имеется очень точное соотноше­ние масса/эксплуатационные показатели, определяющее воз­можности использования мате­риала при разработке. На этом этапе цена за единицу сниже­ния массы может изменяться весьма существенно, что дает возможность разработчику обе­спечить соответствие выдвига­емых требований к материалам целевому назначению проекти­руемого аппарата. Для лета­тельных аппаратов военного

Назначения цена на этой стадии может составлять 440 долл. за I кг. После окончания разработки стоимость такого изде­лия может быть снижена до 100 долл. за 1 кг. В тот момент, когда летательный аппарат находится на стадии производства, любое дополнительное снижение массы может рассматриваться с по­зиции преимуществ, характерных для общего срока службы са­молетов: увеличения полезной нагрузки или снижения расхода топлива.

В результате этого указанная величина может сни­зиться до 55 ... 11 долл. за 1 кг.

Рис. 28.2. Экономия массы А' для раз­личных летательных аппаратов (ЛА): А — малые гражданские самолеты; Б — вертолеты; В — транспортные самолеты; Г — гражданские коммерческие самолеты; Д — двигатели ЛА; Е — самолет «Бо - инг 747»; Ж — самолет-истребитель; 3 — самолет вертикального или короткого взлета и посадки; И — сверхзвуковой транспортный самолет; К — спутник с околоземной орбитой; Л — синхронный спутник (со «стационарной» орбитой); М — космический корабль «Шаттл»

В случае применения в космической технике, где стоимость на единицу массы чрезвычайно высока из-за большого количе­ства топлива, требукяцегося для подъема ракеты на космическую орбиту, уменьшение стоимости, обусловленное использованием композитов, представляется очень привлекательным.