Предварительные требования к структурам композиционных материалов выдвигаются в соответствии с теми типами конструк­ций и материалов, массу или стоимость которых собираются сни­зить при создании новых самолетов или объектов космической техники.

В дальнейшем определяется потенциальная экономия массы изделия, исходя из массы композита и его доли в той или иной конструкции. Все эти данные, отнесенные к базовым аналогам из металлов, позволяющие определить процент экономии массы конструкции, приведены в справочниках [1—3]. Перечень дета­лей, масса которых снижена в результате применения компо­зитов, дан в табл. 20.1.

На рис. 20.2, а приведены данные о снижении массы Си при применении композитов в горизонтальных и вертикальных ста­билизаторах и кессонах — коробчатых конструкциях крыльев, ра -

2Ю.1. Компоненты конструкций из композиционных материалов в летательных аппаратах

F - 5	ACWS	F - 5	В-1	F-5
F-15	СВВО	.F-lll	_	F-15
F-16	ГС-15	F-14	_	В-1
AV-8B	А-7	F-15	_	В-737
5-1	ADCA	А-5	—	L-1011

Кессоны крыльев (см. рис. 20.2, а)

Горизонтальные стабилизаторы

Вертикальные стабилизаторы.

Фюзеляж (см. рис. 20.2, б)

F - 5 F-111 VF-15 ADCA

СН - 53 АЯ-16

Рули высоты и поворота, вакрылки, двери и др. (см. рис. 20.2, в)

F-4 (руль поворота) А-9 (руль поворота) DC-10 (руль поворота)

А-4 (закрылки)

F-5-TE (закрылки) F-5LE (закрылки)

С-5А (предкрылок)

S-3 (спойлер) В-737 (спойлер) f-15 (аэродинамический тормоз)

А-7 (аэродинамический С-4 (обтекатель) тормоз)

F-5 (дверцы ннши шасси) Рама крепления бустера

F-14 (дверцы нншн шас - Распорки

Си)

£-737 (руль высоты) А-37 (боковой тормоз) 5-1 (лонжерон)

F-14 (обтекатель)

Рис. 20.2. Снижение массы изделия Си в зависимости от массовой доли композита V*. м (темные точки — реальные значения, светлые — расчетные): а — крыла и стабилизатора: 1,2 — облегченные соответственно крыло и стабилизатор коробчатой (кессонной) конструкции; 3 — удешевленные крылья и стабилизаторы; 4, б — масса и 6.7 — стоимость соответственно крыла й стабилизатора; б — фюзеляжа) I — облегченного; 2 — удешевленного; в — рулей поворота и высоты, закрылков и др.: 1, 2 — при сниженных, соответственно, массе и стоимости

Ботающих на кручение. Девять точек отражают результаты ре­ального взвешивания, остальные двенадцать получены при пред­варительных конструкторских проработках. Очевидны две сово­купности, объединяющие эти данные: точки, лежащие выше дру­гих, характеризуют первое и второе поколения структур на основе композитов, когда наиболее существенным считалось снижение массы, хотя зачастую это приводило к возрастанию стоимости; точки, лежащие ниже, характеризуют третье поколе­ние структур, когда при конструировании снижение массы дости­гается одновременно с выигрышем в стоимости.

Относительно мало данных (только семь точек) существует для оценки преимуществ композитов при использовании их в фюзеляже (рис. 20.2, б). В то же время для таких деталей, как закрылки, интерцепторы (спойлеры) и обтекатели, данных имеется довольно много (рис. 20.2, в). Аналогичные тенденции в сниже­нии массы и стоимости наблюдаются при применении компози­тов в крыльях и хвостовом оперении самолетов: верхние кривые связаны в основном со снижением массы конструкции, а нижние объединяют как достигаемое при конструировании снижение массы, так и стоимость элемента конструкции.

20.2. Уменьшение массы элементов из композитов по сравнению с металлическими Элемент конструкции Сниже­ние мас­сы, % І Доля компози­тов, % Элемент конструкции Сниже­ние мас­сы, % Доля компози­тов, % Неподвижное крыло: обычное 29 87 треугольное 23,5 87 Поворотное крыло 20 65 Хвостовое оперение: пластина 23 79 ребро жесткости 30 79 Фюзеляж 20 72 Воздухозаборник сечения: постоянного 22 80 переменного 20 80 Механизм шасси 16 40

Предварительная оценка величины снижения массы элемента конструкции может быть проведена исходя из соображений за­мены металлических частей на детали из композитов, используя нижние кривые на вышеуказанных графиках. Учет этих данных позволяет найти компромисс между снижением массы и умень­шением стоимости материала.

В табл. 20.2 представлены данные по снижению массы благо­даря использованию композитов в проектируемых летательных аппаратах. Такие данные дают возможность представить, какие компоненты конструкций могут дать максимальную экономию массы с некоторым снижением цены изделия. Указанные выше величины снижения массы были приведены в справочнике [1 ] и использованы для предварительного изучения на моделях летательных аппаратов. Полученные экспериментальные резуль­таты хорошо подтвердили надежность сделанных оценок об эко­номии массы.

Эффект использования композиционных материалов в самоле­тостроении (до 75 % от всех материалов) показан на примере их применения в сверхзвуковой авиации (рис. 20.3) и выборе кон­фигурации современного самолета (рис. 20.4). Такой самолет значительно меньше и легче по сравнению с металлическим. На 35 % уменьшена масса конструкций и на 26 % снижена об­щая масса. Все это могло быть достигнуто только при применении Р, т

Рис. 20.3. Сравнительные массовые харак­теристики Р элементов конструкций само­летов, чисто металлических или с приме­нением композитов:

А — наиболее совершенные самолеты на ос­нове композитов; Б — наиболее совершенные самолеты из металла; В — самолеты с частич­ной заменой металла на композиты; 1 — полез­ная нагрузка; 2 — топливо; 3 — системы само­лета; 4 — конструкция самолета

Рис. 20.4. Более совершенная конструкция современного самолета, в которой использованы композиционные материалы

Рис. 20.5. Зависимость изменения массы ДР конструкции нз композита по сравне­нию с металлической от относительной толщины крыла t/c:

I — общая масса топлива; 2 — общая масса крыла и топлива; 3 — масса элементов кес­сонной балки крыла, изготовленной из углепластика

Рис. 20.6. Сравнение относительной стоимости N, экологических и массовых показателей при замене металлических деталей в горизонтальных стабилизаторах самолета В-1:

А — металлические конструкции; Б —' конструкции на основе композитов; 1 — общие элементы конструкции (12 деталей); 2 — вспомогательные элементы — крепежные детали (А — 26,8 тыс. шт.; Б — 14,3 тыс. шт.); 3 — несущие конструкции (А —* 270 элементов; Б — 108 элементов); 4 облицовка (А, Б — по четыре элемента)

20.3. Масса деталей и узлов самолета В-13, изготовленных из металла и композита (см. рис. 20.6)

Масса деталей, кг

Элементы конструкции

Из металла из композита

О блицовка, включая защитные покрытия и крепеж-

Ные детали

Передние н задние стрингеры Промежуточные стрингеры Нервюры

Прокладки н фитннги Корпус фюзеляжа

Передние и задние обводы стабилизатора

Уплотнения

Отделка

Опоры вращающихся деталей Общая масса Расчетная масса

766,2

575,5 59,8 98,6 56,& 21,1 811.5 118.6 7,0 18,3 179,3 * 1277,4 * 1296,6 227,5 (15 %)

87,2 110,9 69,5 1033,8 118,6 21,0 18,3 170,7 1505,1

Выигрыш в массе по сравнению с металлическими конструкциями

* Масса неподвижных деталей 635 кг, подвижных — 615 кг.

Композиционных материалов. Предварительный анализ позво­ляет оценить снижение стоимости самолета до 21 %, а экономию топлива до 30 %.

На рис. 20.5 приведены результаты одного из таких исследо­ваний. На моделях самолета изучалась оптимальная относитель­ная толщина крыла t/c и ее влияние на волновое сопротивление самолета [1 ].

Тщательные исследования показали, что оптимальным для крыльев обычной конфигурации является отношение tic = 0,035. Этот результат является типичным на стадии проектирования для большинства конструкторских проработок.

Стоимость, как параметр проектирования, должна являться объектом отдельного тщательного изучения. Определение этой величины весьма непросто, так как она является функцией стои­мости материалов, числа" деталей и соединений из композитов и, наконец, объема и стоимости производства. Некоторые оценки снижения стоимости при применении композитов сделаны на ос­нове анализа стоимости выпуска горизонтальных стабилизаторов самолета В-1 [2, 4]. Как видно из рис. 20.6 (табл. 20.3), при снижении проектной стоимости на 17,5 % снижение общей массы составляет 15 %. Общий выигрыш как за счет стоимости, так и за счет массы при замене материалов подвижных элементов из металла на композитные, составляет около 22 %.

Оценки, сделанные на основании цен середины 80-х годов, показывают, что снижение стоимости изделий для самолето - 308
строения при применении углепластиков составляют по крайней мере 0,5 % на каждый процент снижения массы. Стоимость будет тем ниже, чем большее число деталей будет сделано из компо­зитов.