F-IS ffj AV-BB ATF e) VISTOL A 6 В ГД

Рис. 28.6. Тенденция роста массовой доли композитов в авиационных кон­струкциях:

А — производящихся самолетов; б — опытных образцов самолетов; в — на этапе разра­ботки перспективного тактического истребителя типа a tf и самолета вертикального взлета и посадки или с коротким разбегом и выбегом типа v1stol

Рис. 28.7. Предел прочности при растяжении ов и плотность р материалов, используемых в авиации:

А — алюминиевый сплав, р = 2770 кг/м"; Б—титановый сплав, р = 4440 кг/м*; В — сталь, р = 7760 кг/м"; Г — эпоксиуглеплзстик, р = J660 кг/м*; JJ — эпоксиборопла - стик, р = 1940 кг/м'

Самолета F-16 и горизонтальный стабилизатор для этого же са­молета. Эти детали и узлы, перечисленные в табл. 28.6, обнару­живают конструктивное единство, улучшенные эксплуатационные показатели и долговечность за время испытаний в течение послед­них десяти лет.

Массовая доля КУС в конструкционных деталях, как пока­зано на рис. 28.6, продолжает возрастать, и летательный аппарат будущего будет, по-видимому, наполовину состоять из компози­тов. Фирма «Грумман» показала, что организация по разработке улучшенных летательных аппаратов на основе композитов (ADCA) может осуществить специальную разработку летательного аппа­рата существенно меньшего и более легкого, чем это было бы возможно при использовании металла, и при этом можно будет обеспечить уменьшение не только массы, но и стоимости [1 ].

Относительные типичные показатели прочности и плотности для КУС и металлов приведены на рис. 28.7. Как можно заметить, композиты дают значительное уменьшение массы, а по прочности и жесткости сравнимы с используемыми в настоящее время ме­таллами. Типичные цены сырьевых материалов и отношение ко­личества приобретенного материала к количеству используемого Материала (масса закупленного материала к полетной массе деталей из него) показаны на рис. 28.8. Хотя композиты в настоя­щее время еще дороже алюминия, их цены сравнимы с ценами на титан. Современная тенденция снижения стоимости композитов по мере увеличения объема иХ выпуска сопровождается ростом цен на металл, что обусловлено инфляционными процессами. Кроме того, как явствует из приведенных данных, соотношение массы закупленного материала и полетной массы деталей более пред­почтительно для композитов. Поэтому, учитывая тот фактор, что

С, долл. /кг композиты примерно на

25 % легче аналогичных из­делий из металла, разница в стоимости материала ока­зывается не столь значи­тельной.

Одна из наиболее впе­чатляющих программ по использованию композитов была создана по совместной инициативе ВВС США и фирмы «Грумман» в июле 1973 г. Целью этой про­граммы было изготовление и испытание горизонталь­ного стабилизатора из ком­позита для самолета В-1.

J30

Гго

По

Д

Г

А Б в

Рис. 28.8. Изменение стоимости С мате­риалов по сравнению с 1977 г. и отношение массы закупленного сырья к полетной массе:

А — зпоксиборопластик; Б — зпоксиуглепла - стик; В — композит иа основе арамида (во­локна «Кевлар») и эпоксидной смолы; Г — ти­тан; Д — алюминий

Результат разработки этой конструкции показан на рис. 28.9. Этот стабилизатор име­ет площадь 22,3 м2, корневую хорду 5,2 ми длину 9,1 м, с толщиной у основания примерно 360 мм. Кессонный горизонтальный стабилизатор из композита раз­рабатывали таким образом, чтобы уменьшить число деталей при сборке и тем самым снизить его стоимость. Клеенные сотовую конструкцию и конструкцию из металлических пластин отвергли,

Рис. 28.9. Изготовленный из композита горизонтальный стабилизатор:

1 — узел крепления подъемника (в трех точках) из алюминиевого сплава; 2 — нёсущая опора; 3 — швеллерные лонжероны; 4 — синусоидальные лонжероны с нервюрами; 5 — иижияя панель обшивки; 6 — эпоксиборопластик; 7 — углепластик типа A/S; 8 — титан

Поскольку они приводили к повышению стоимости. Ста­билизатор собирали путем сверления отверстий в де­талях из композита и свя­зывания их с помощью бол­тов из коррозионно-стойкой стали и титановых крепеж­ных изделий типа «Hi-Lob.

Основную обшивку из­готовили из 106 слоев эпо- ксиуглапластика. Ленты из эпоксиборопластика были введены в наружный слой в промежуточных точках для придания конструкции не­обходимой жесткости по дли­не деталей. Полосы эпокси­боропластика в прикорневой части поверхности крыла рядом с шарнирным соеди­нением служат для передачи нагрузки от поверхности к несущим деталям.

Силовой набор стабилизатора состоит из эпоксиуглепласти- ковых синусоидальных промежуточных лонжеронов и нервюр, а также переднего и заднего швеллерных лонжеронов. Синусои­дальные лонжероны имеют стенки, состоящие только из шести слоев толщиной 0,8 мм, формуемые в одну операцию в разъемных металлических штампах.

Для защиты конструкции от грозовых разрядов напыляли слой алюминия на 50 % площади наружной обшивки.

Детали, подвергнутые статическим испытаниям, разрушалась при нагрузке, составляющей 132 % от предела прочности при сжатии. Аналогичные детали, подвергнутые усталостному нагру­жению, разрушались при удвоенной усталостной долговечности.

Реальная масса испытуемого стабилизатора из композита была на 227 кг ниже, чем у аналогичной металлической кон­струкции. Это обеспечило суммарное снижение массы на 15 %. Из рис. 28.10 следует, что рост стоимости панелей обшивки из композита значительно перекрывается упрощением силового на­бора конструкции и уменьшением расходов на сборку благодаря меньшему числу деталей. В результате суммарное снижение стои­мости стабилизатора из КМ составляет 17,5 % по сравнению с расходами на металлический стабилизатор.

За последние несколько лет промышленность композитов в США концентрировала свои усилия на преодоление таких пре­пятствий к полномасштабному внедрению, как стоимость, доверие

A) f)

Рис. 28.10. Сравнение стоимости произ­водства горизонтального стабилизатора из металла (а) и композита (б) для самоле­та В-1 (D — доля стоимости, %, от стои - f мости исходной металлической детали):

А — основные детали (12 шт.); Б — сборка (26 790 крепежных деталей); В — силовой на­бор (270 деталей); Г — соотношение расходов на оплату труда и материалов; Д — панели об­шивки (4 слоя); Е — сборка (14 300 крепеж­ных деталей); Ж — силовой набор (108 дета­лей)

18 П/р Дж. Любнна 553
и долговечность. Фактор стоимости всегда находится в поле зре­ния и производителей, и потребителей КМ, но дальнейшее раз­витие производства композитов тем не менее имеет место. Про­гнозы перспективного использования больших объемов компо­зитов уже вызвали рост их производства, и дальнейшие наметки оказались весьма перспективными для разработки высокотехно­логичных компонентов для изготовления композитов. Были сде­ланы и продолжают делаться соответствующие попытки по созда­нию дешевой оснастки для производства композитов с органиче­ской матрицей. При автоматизации разрабатываемых процессов стоимость конструкций из композитов может быть ниже, чем для аналогичных металлических конструкций. Фирма «Грумман» раз­работала и предложила потребителю комплексную установку по переработке слоистых пластиков, которая позволяет снижать на одну четверть затраты труда в случае изготовления из композита горизонтального стабилизатора самолета /М4А.

Результаты возросшего доверия к этим материалам, хотя и медленно, но все же давали о себе знать. Главным шагом было одобрение производства целиком из композитных материалов горизонтального стабилизатора для бомбардировщика В-1, уже обсуждавшееся ранее. После пятилетних работ по программе созданная крупногабаритная конструкция из композита удовле­творила всем требованиям, предъявляемым к летательным аппа­ратам, и ее допустили к производству. Увеличение доверия к КМ выразилось также в изготовлении обшивки крыльев из компози­тов для самолета F-18, разрабатываемого для ВМС США. В усо­вершенствованном самолете «Харриер A V-8B» максимально реали­зованы преимущества композитов, массовая доля которых со­ставляет около 15 % в конструкции этого самолета.

Долговечность КУС изучали в течение нескольких лет, при­давая особое значение исследованию проблемы стойкости во влаж­ных средах.

Широкие исследования с глубоким анализом резуль­татов показали, что СП на основе эпоксиуглепластика могут по­глощать до 15 % влаги. В условиях влагопоглощения СП стаби­лен и разрушается только в том случае, когда температура экс­плуатации превышает 127 °С. Современные технические условия на материал включают механические испытания влагонасьиценных СП для обеспечения гарантии долговечности. Была проведена оценка данных по эксплуатации для горизонтальных стабилиза­торов самолета F-14A. Они находились в эксплуатации с 1970 г. на более чем 300 летательных аппаратах, налетавших более 150 ООО ч. Таким образом, эти материалы подтвердили свое соот­ветствие требованиям по долговечности. Более того, стабилизаторы почти не требовали технического обслуживания, поэтому аморти­зационная стоимость была сравнительно низкой. Аналогичные данные были получены и при использовании композита для хвостового оперения самолета /Мб.

Фирма «Грумман» создала лабораторную установку для оценки

Долговечности материалов и конструкций. Эта установка одно­временно моделирует нагружение, влажность, термические пики, а также температуру в ускоренных и псевдореальных режимах. В настоящее время проводится оценка композитов на стойкость к повреждениям при ударных воздействиях.