25.07.2024
«Взлетая выше неба…»
Несмотря на то, что использование композитных полимерных материалов часто считается ультрасовременным, в мире авиации эта тема вовсе не нова, утверждают эксперты Plastics Europe. Авиастроительная промышленность стала одной из первых отраслей, где подобные материалы используются давно и широко, хотя их стоимость была выше, чем у металлов, которые они заменяют. Причина такой популярности пластиков кроется не только в их способности облегчать вес летательных аппаратов…
С тех пор как братья Райт и Клеман Адер создали свои первые «летающие машины», авиастроители поняли, что вес является ключевым фактором, когда речь заходит об успешном поднятии самолета в воздух. Это, безусловно, было верно во времена первых авиаторов, однако современные двигатели настолько мощны, что теперь гораздо легче поднять в воздух более тяжелые самолеты. В настоящее время стремление к созданию легких конструкций преследует другие цели. Одной из них является экономическая эффективность, поскольку более легкие самолеты потребляют меньше топлива. Это связано с решением другой задачи — повышением энергоэффективности, поскольку меньшее потребление означает меньшее количество парниковых газов.
Стремительный взлет
Композитные материалы названы так потому, что они состоят из двух или более элементов — волокна (например, стекловолокна или углеродного волокна) и матрицы. Полимер связывает и удерживает волокна вместе, обеспечивая целостность материалов и позволяя передавать механические нагрузки между волокнами.
Эти материалы впервые появились в мире авиации еще в 1930-х годах, когда для усиления пропеллеров использовалась комбинация стекловолокна и смолы. Такие усиленные пропеллеры были прочнее, но этот новый материал на самом деле был ничуть не легче дерева. Только в 1970-х годах появились новые композиты, обычно на основе углерода и эпоксидной смолы. Они были не только легкими, но очень прочными, устойчивыми к эффекту усталости, не подвержены коррозии и, чаще всего, воздействию химических веществ.
Поскольку изделия стали отливаться, а не штамповаться (как в случае с металлами), это позволило создавать более сложные конструкции, способные преодолеть физические ограничения, связанные с полетами воздушных гигантов. Единственным недостатком композитов оставалось то, что они были непросты в изготовлении: литье было сложным процессом, требующим многочисленных ручных операций, а подбор идеального времени нагрева для их надлежащего отверждения приходилось осуществлять путем многих опытов.
Композитные материалы были многообещающим, но их все еще требовалось «приручить». Благодаря упорному труду и терпению инженеры преуспели в их дальнейшем освоении и приведении их в соответствие с самыми строгими авиационными стандартами.
Сегодня на долю композитов приходится до 50% веса некоторых широкофюзеляжных самолетов. Компания Boeing была первой, кто добился этого в процессе создания своего самолета модели 787, который получил лицензию на полеты в 2011 году. Это был настоящий подвиг, учитывая, что в то время у конкурента — модели Airbus A380 — этот показатель составлял всего 25%.
Не желая отставать, европейский Airbus представил модель A350 несколько лет спустя — и превысил отметку в 50%. На этих самолетах фюзеляж, хвостовое оперение и часть крыльев и элеронов были полностью изготовлены из панелей на базе углеродного волокна и эпоксидной смолы.
Всего за 50 лет производители самолетов добились невероятного прогресса, особенно если учесть, что Boeing 747 в свое время получил широкую известность благодаря своей конструкции из алюминиевого сплава.
Корпусные детали
Композитные материалы привлекают внимание преимущественно своим облегченным весом. Однако производители самолетов также интересуются материалами из-за других, менее известных качеств.
Например, их непревзойденная жесткость идеально подходит для изготовления крупных деталей, таких как элементы крыла. Кроме того, процесс формовки позволяет сократить количество деталей, собранных с помощью винтов или заклепок, ведь состояние таких компонентов необходимо тщательно контролировать, а при малейших неполадках их заменять. В связи с этим требуется гораздо меньше затрат на обслуживание, тем более что эти материалы, в отличие от металлов, не подвержены воздействию влаги и коррозии.
Подвижные части в хвосте и элеронах могут также быть произведены из композитов, но здесь они имеют многослойную структуру. Такой тип конструкции позволяет композитным пластинам лучше противостоять кручению. Они состоят из сотового заполнителя, который позволяет минимизировать количество необходимого материала и при этом достичь максимальной прочности, выпускаемого на основе арамидного волокна Kevlar® и помещенного между двумя слоями углеродного волокна.
Эта же технология используется для формования радиокупола — выпуклой части носовой части самолета. Снаружи он выглядит как простая «крышка», которая, как многие думают, служит исключительно для аэродинамических целей. Однако это не единственная его функция. За радиокуполом скрывается радар, способный обнаруживать большие облака. Чтобы радар работал эффективно, он должен пропускать электромагнитные волны в оба направления. Полимеры особенно эффективны в этом отношении, хотя при этом менее приспособлены к выдерживанию сильных ударов от летящих навстречу самолетам птиц. Именно сотовая конструкция делает радары практически неразрушимыми. В большинстве случаев они также снабжены медной проволокой для рассеивания ударов молнии.
Гибкие решения
Область, соединяющая крылья с фюзеляжем, выполнена из композитного стекловолокна, которое славится своей прочностью. Металлическими являются только передние кромки крыльев и опоры двигателя: первые изготавливаются из алюминия, вторые — из стали или даже титана.
Это по-прежнему лучшие материалы с точки зрения ударопрочности, но всегда ли так будет? В настоящее время компания Airbus усиливает часть крыльев модели A320 арамидным волокном, которое устойчиво практически ко всему.
Boeing оснастил самолет модели 777x композитными складными крыльями — доказательство зрелости композитных материалов. Это смелый выбор Boeing, но он был оправдан. При размахе крыльев в 72 м этот гигантский самолет рискует столкнуться с другими самолетами на стоянке. Чтобы решить эту проблему, крылья складываются, когда самолет находится на земле, обеспечивая ему 7-метровый размах, при этом он остается абсолютно устойчивым в полете. При этом металлическая система шарниров в сочетании с композитными крыльями — выигрышная комбинация, в которой использованы лучшие качества обоих материалов.
Фестиваль полимерных пленок
У композитных материалов есть несколько недостатков, например, плохая способность проводить электричество и разряжаться в случае удара молнии. Чтобы исправить это, в фюзеляж обычно вставляют сетку из медной проволоки.
Компания Solvay разработала полимерную пленку с поверхностной адгезией, которая может включать в себя очень мелкую сетку медных проводов для рассеивания электричества. Наклеенная на различные части фюзеляжа и крыльев, эта пленка также способна разглаживать углеродные волокна и улучшать аэродинамику.
Аналогичным образом компания Lufthansa в сотрудничестве с BASF разработала полимерную пленку, вдохновленную акульей кожей. Как и кожа рыбы, которая хорошо известна своими гидродинамическими способностями, она состоит из миллионов призмообразных ячеек, каждая глубиной 50 мкм (0,005 см). Такая ребристая текстура уменьшает трение воздуха о фюзеляж, тем самым снижая сопротивление. Пленка площадью 950 м2, нанесенная на самолет, экономит 400 т авиационного топлива и 1200 т углекислого газа в год. Если бы весь мировой парк дальнемагистральных самолетов был оснащен таким покрытием, то ежегодно экономилось бы около 5 млн т топлива.
Топливная система и двигатель
Термопластичные полиимиды и, в частности, полиэфиримид (ПЭИ), в основном используются в авиации в некоторых деталях двигателей, подверженных газообмену. Отлитый под давлением, полиэфиримид легче алюминия, которого он заменяет. Устойчивость ПЭИ к высоким температурам (более 150°C), химическому воздействию, гидролизу и трению делает его материалом, способным на большие подвиги.
Другие высокоэффективные термопластичные материалы — полиарилэфиркетон (ПАЭК) и полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) — также встречаются в пресс-масленках шасси. Этот материал противостоит давлению так же эффективно, как и металл, поэтому в данном случае служит его более легкой альтернативой.
Полимеры на основе эпоксидной смолы используются в передней части реактивных двигателей для снижения расхода топлива. В данном случае достижение меньшей массы не является целью — необходимым свойством является степень истираемости материала. Абразивное покрытие при контакте с движущейся деталью изнашивается преимущественно в сторону этой детали. В реактивных двигателях они встречаются на уплотнительных деталях турбин. Уменьшение до минимума зазора между движущимися частями (например, лопатками) и их корпусом улучшает аэродинамические характеристики двигателя, а значит, повышает его эффективность. Любое трение приводит к износу истираемого уплотнения, не оказывая существенного влияния на эффективность лопастей.
Сейчас ведутся разговоры о применении рядом с вентиляторами для снижения уровня шума двигателя деталей на базе эпоксидной смолы, отпечатанных с помощью 3D-технологий. С помощью аддитивного производства этот углеродно-эпоксидный полимер можно превратить во что-то вроде микроскафандра, а его пористая микроструктура обеспечит высокий уровень звукопоглощения.
Благодаря использованию таких полимеров, как ПЭЭК и углеродно-эпоксидные композиты для изготовления лопаток, двигатель LEAP (Leading Edge Aviation Propulsion — передовая авиационная силовая установка, новый тип двухконтурного турбовентиляторного двигателя) от компании CFM, которым сегодня оснащается около 90% однофюзеляжных среднемагистральных самолетов, стал на 450 кг легче предыдущего поколения, весившего почти 2500 кг. Таким образом, пластики позволили снизить расход топлива примерно на 30%.
Интерьерные решения
Полимеры играют важную роль при создании интерьеров самолетов, используются для производства верхних отсеков, чехлов для сидений, сервисных тележек, перегородок, стенок салона и многих других деталей.
Полиамид, выпускаемый компанией DuPont под маркой Nylon®, поликарбонат (ПК), полиэфиримид и даже традиционные композиты (стекловолокно и эпоксидная смола) выбираются авиастроителями, как и производителями автомобилей, в первую очередь благодаря их легкому весу и способности принимать любую форму. Однако в воздухе стандарты безопасности еще более строгие, особенно когда речь идет об огнестойкости. Чтобы пройти необходимые испытания, установленные различными органами сертификации, материалы должны обладать отличной огнестойкостью. Это свойство присуще компаундам поливинилхлорида (ПВХ), которые используются для изоляции кабелей.
ПЭИ также обладают высокой степенью термостойкости, поэтому используются для формования крупногабаритных деталей, например перегородок. Для более мелких элементов, к примеру крепежных систем, используются полиамиды, дополненные антипиренами.
Что касается верхних отсеков, то они изготавливаются из композита стекловолокна и эпоксидной смолы — чрезвычайно прочного материала, который идеально подходит для формования компонентов, которые будут использоваться тысячи раз в течение всего срока службы.
Полиэфиримид смешивают с углеродным волокном, чтобы сделать его еще более прочным и способным заменить алюминий, который раньше использовался в подлокотниках, подставках для ног, кофеварках и подставках для столиков. Пластик позволил сократить вес каждого кресла на несколько десятков килограммов и на столько же увеличить грузоподъемность самолета.
Производители все еще пытаются сделать сиденья более легкими и при этом соответствующими стандартам безопасности. Если каркасы сидений по-прежнему изготавливаются в основном из металла, как правило, алюминия или титана, то все остальное — уже из различных полимеров. Например, в подлокотниках и чехлах сидений можно найти поликарбонат.
Молодая французская компания решила эту смелую задачу, разработав кресло с каркасом из титана и углеродного волокна, которое весит всего 4 кг, что значительно легче обычного 10-килограммового сиденья. Настоящая инновация — это первое кресло из углеродного волокна, сертифицированное международной организацией CAA (Civil Aviation Authority —
Управление гражданской авиации). Недавно это кресло появилось в моделях самолетов Airbus A320 и Boeing 737.
В ближайшем будущем растительные волокна, такие как лен, можно будет использовать, например, в колесах самолетов. Они экологичны и гораздо лучше поглощают звуки и вибрации, чем их углеродные и металлические аналоги, что является неоспоримым преимуществом, когда речь идет о комфорте пассажиров и летного персонала.
Актуальные исследования
Углеродные и эпоксидные композиты по-прежнему являются «швейцарским стандартом» для высокотехнологичных отраслей промышленности, стремящихся снизить вес изделий. Они используются для производства фюзеляжей и крыльев самолетов, гоночных лодок, автомобилей «Формулы-1» и даже кроссовок.
Несмотря на то, что такие композиты обладают рядом выдающихся качеств, они не лишены недостатков, особенно с точки зрения экологии. В подавляющем большинстве случаев углеродные волокна пропитываются термореактивной смолой, обычно эпоксидной, полиэфирной или виниловым эфиром. Однако после полимеризации термореактивные смолы не могут быть расплавлены и использованы заново, поэтому их утилизация затруднена, что является недостатком в эпоху развития экономики замкнутого цикла.
Авиастроители стремятся заменить композиты инженерными термопластами, такими как ПА, полибутилентерефталат (ПБТ) или ПЭЭК, которые можно перерабатывать вторично. Еще одним преимуществом является то, что такие пластмассы не выделяют летучих соединений при пропитке волокон, что делает их более удобными в переработке.
Касательно термомеханических характеристик инженерных пластмасс, то они часто сравнимы с термореактивными материалами, особенно это касается ПЭЭК. Они были бы идеальным решением, если бы не их высокая вязкость, которая в 1000 раз выше, чем у термореактивных смол при температуре обработки, что затрудняет пропитку волокон.
Это одна из проблем, которая в настоящее время занимает исследователей. Все лаборатории ищут способ снизить температуру плавления и уменьшить вязкость ПЭЭК, чтобы упростить производство деталей, не оказывая при этом негативного влияния на их термостабильность.
Данные исследования жизненно важны для полимерной промышленности, поскольку производители металлов и сплавов быстро прогрессируют и отвое-вывают лидирующие позиции.
Инженеры, работающие с композитами, пытаются найти более энергоэффективный способ их затвердевания. В настоящее время детали выпускаются в автоклавах, своего рода гигантских скороварках, но это долгий и довольно дорогостоящий процесс, учитывая высокую стоимость оборудования.
Многие исследовательские центры ищут менее дорогие и более гибкие альтернативы автоклавам, например, разрабатывают методики, предусматривающие вливание или нагнетание жидкой смолы непосредственно на волокнистую преформу и создание своего рода армированного волокнами каркаса. Автоклав заменяется вакуумным мешком, а смола подается через простую трубку. В идеале требуется выполнять все необходимые операции при комнатной температуре и при этом производить детали одинакового качества. По данным некоторых исследовательских центров, появление такого решения уже не за горами.
Самовосстанавливающиеся материалы
С целью дальнейшего совершенствования композитов Европейский союз запустил и профинансировал проект HIPOCRATES, посвященный разработке самовосстанавливающихся материалов, которые способны без вмешательства человека устранять микротрещины и небольшие поломки.
Данное свойство особенно важно в авиационной промышленности, поскольку крылья и фюзеляжи самолетов ежедневно подвергаются микроударам, например во время града. Это не повод для беспокойства, так как самолеты спроектированы таким образом, чтобы выдерживать подобные условия, но со временем композиты изнашиваются немного быстрее, требуя вмешательства человека для ремонта и поддержания компонентов в хорошем состоянии.
Разработка конструкционных композитных материалов на основе самовосстанавливающихся полимеров — это настоящий вызов для отрасли. Уже опробованы два различных метода самовосстановления. Первый предполагает добавление в композиты микрокапсул, содержащих самовосстанавливающиеся вещества и катализатор. В случае возникновения микротрещины капсулы разрушаются и высвобождают «ремонтное» вещество, которое затем вступает в контакт с катализатором. В результате происходит полимеризация, которая инкапсулирует трещину и предотвращает ее развитие.
Во втором методе используются обратимые полимеры. В смолу просто добавляют новый химический элемент, способный заполнить трещину после воздействия внешнего сигнала — тепла, излучения или электрической индукции.
На данный момент известно не так много, потому что исследования держатся в секрете. Известно лишь, что два новых композита были успешно испытаны. Исследовательская группа надеется увидеть их практическое применение в течение ближайших пяти лет — времени, требующегося для проведения всех необходимых испытаний.
В Европе также финансируются исследования гидрофобного покрытия, которые позволят отказаться от использования стеклоочистителей на лобовом стекле кабины пилота. Стеклоочистители могут показаться незначительными деталями, но они весят несколько килограммов и увеличивают сопротивление самолета. Конечно, они не расходуют огромное количество топлива, но все это в совокупности влияет на общий вес.
Гиброфобное покрытие, по сути, представляет собой кожу из полиуретанового силан-геля, подвергнутого гидролизу. Оно наносится на лобовое стекло и после высыхания оставляет после себя твердый слой, который легко отталкивает дождевую воду. Покрытие также включает в себя прозрачный теплопроводящий слой, который помогает избавиться от воды при нанесении на поверхность стекла.
Композитный пропеллер
Суперджет с электрическим двигателем — это предмет мечтаний авиастроителей. Пока человечество ждет, когда это станет реальностью, приходится довольствоваться небольшими электрическими самолетами, обычно двухместными, чаще всего еще находящимися на стадии тестирования.
Все электрические самолеты объединяет одно: сверхлегкая конструкция из композитных материалов. Модели таких самолетов выпускают многие авиапроизводители, включая таких крупных, как Airbus. Однако в ближайшее время мы не увидим коммерческий самолет, летящий по воздуху в полной тишине, так как для его создания нужен прорыв в области производства аккумуляторов.
В то же время некоторые производители двигателей (к примеру, компания Safran) стремятся к улучшению работы традиционных реактивных двигателей. Компания разработала Open Rotor — новый тип двигателя, который намного больше нынешних реактивных двигателей и предназначен для установки в хвостовой части фюзеляжа. Обтекатель двигателя снимается, и устанавливаются два огромных 4-метровых пропеллера, вращающихся в противоположных направлениях. В мире авиации они известны как пропеллеры встречного вращения, но конструкцию самолета теперь придется полностью переделать. По данным Safran, шум, издаваемый открытым ротором, будет эквивалентен шуму, производимому двигателем LEAP. Это объясняется особым дизайном лопастей. Что касается композитного материала из углеродных волокон, то он достаточно гибкий, чтобы устранить все вибрации, характерные для гребных двигателей. Благодаря этой современной технологии расход топлива может быть снижен еще на 15-25%. Когда в начале XX века первые самолеты с двигателем поднялись в небо, кто мог представить, что через 40 лет они преодолеют звуковой барьер?
Авиационная промышленность постоянно совершенствуется, чтобы удовлетворить постоянно растущий спрос, и в эпоху, когда вопросы экологии имеют первостепенное значение, трудно сказать, как будут выглядеть самолеты через тридцать лет. Одно можно сказать точно: они должны быть значительно более экономичными с точки зрения расхода ресурсов и выбросов CO2. То же самое касается и полимеров, которые всегда играли ключевую роль в стремлении авиастроительной отрасли к повышению производительности и топливной эффективности.
Посмотреть в журнале
С тех пор как братья Райт и Клеман Адер создали свои первые «летающие машины», авиастроители поняли, что вес является ключевым фактором, когда речь заходит об успешном поднятии самолета в воздух. Это, безусловно, было верно во времена первых авиаторов, однако современные двигатели настолько мощны, что теперь гораздо легче поднять в воздух более тяжелые самолеты. В настоящее время стремление к созданию легких конструкций преследует другие цели. Одной из них является экономическая эффективность, поскольку более легкие самолеты потребляют меньше топлива. Это связано с решением другой задачи — повышением энергоэффективности, поскольку меньшее потребление означает меньшее количество парниковых газов.
Стремительный взлет
Композитные материалы названы так потому, что они состоят из двух или более элементов — волокна (например, стекловолокна или углеродного волокна) и матрицы. Полимер связывает и удерживает волокна вместе, обеспечивая целостность материалов и позволяя передавать механические нагрузки между волокнами.
Эти материалы впервые появились в мире авиации еще в 1930-х годах, когда для усиления пропеллеров использовалась комбинация стекловолокна и смолы. Такие усиленные пропеллеры были прочнее, но этот новый материал на самом деле был ничуть не легче дерева. Только в 1970-х годах появились новые композиты, обычно на основе углерода и эпоксидной смолы. Они были не только легкими, но очень прочными, устойчивыми к эффекту усталости, не подвержены коррозии и, чаще всего, воздействию химических веществ.
Поскольку изделия стали отливаться, а не штамповаться (как в случае с металлами), это позволило создавать более сложные конструкции, способные преодолеть физические ограничения, связанные с полетами воздушных гигантов. Единственным недостатком композитов оставалось то, что они были непросты в изготовлении: литье было сложным процессом, требующим многочисленных ручных операций, а подбор идеального времени нагрева для их надлежащего отверждения приходилось осуществлять путем многих опытов.
Композитные материалы были многообещающим, но их все еще требовалось «приручить». Благодаря упорному труду и терпению инженеры преуспели в их дальнейшем освоении и приведении их в соответствие с самыми строгими авиационными стандартами.
Сегодня на долю композитов приходится до 50% веса некоторых широкофюзеляжных самолетов. Компания Boeing была первой, кто добился этого в процессе создания своего самолета модели 787, который получил лицензию на полеты в 2011 году. Это был настоящий подвиг, учитывая, что в то время у конкурента — модели Airbus A380 — этот показатель составлял всего 25%.
Не желая отставать, европейский Airbus представил модель A350 несколько лет спустя — и превысил отметку в 50%. На этих самолетах фюзеляж, хвостовое оперение и часть крыльев и элеронов были полностью изготовлены из панелей на базе углеродного волокна и эпоксидной смолы.
Всего за 50 лет производители самолетов добились невероятного прогресса, особенно если учесть, что Boeing 747 в свое время получил широкую известность благодаря своей конструкции из алюминиевого сплава.
Корпусные детали
Композитные материалы привлекают внимание преимущественно своим облегченным весом. Однако производители самолетов также интересуются материалами из-за других, менее известных качеств.
Например, их непревзойденная жесткость идеально подходит для изготовления крупных деталей, таких как элементы крыла. Кроме того, процесс формовки позволяет сократить количество деталей, собранных с помощью винтов или заклепок, ведь состояние таких компонентов необходимо тщательно контролировать, а при малейших неполадках их заменять. В связи с этим требуется гораздо меньше затрат на обслуживание, тем более что эти материалы, в отличие от металлов, не подвержены воздействию влаги и коррозии.Подвижные части в хвосте и элеронах могут также быть произведены из композитов, но здесь они имеют многослойную структуру. Такой тип конструкции позволяет композитным пластинам лучше противостоять кручению. Они состоят из сотового заполнителя, который позволяет минимизировать количество необходимого материала и при этом достичь максимальной прочности, выпускаемого на основе арамидного волокна Kevlar® и помещенного между двумя слоями углеродного волокна.
Эта же технология используется для формования радиокупола — выпуклой части носовой части самолета. Снаружи он выглядит как простая «крышка», которая, как многие думают, служит исключительно для аэродинамических целей. Однако это не единственная его функция. За радиокуполом скрывается радар, способный обнаруживать большие облака. Чтобы радар работал эффективно, он должен пропускать электромагнитные волны в оба направления. Полимеры особенно эффективны в этом отношении, хотя при этом менее приспособлены к выдерживанию сильных ударов от летящих навстречу самолетам птиц. Именно сотовая конструкция делает радары практически неразрушимыми. В большинстве случаев они также снабжены медной проволокой для рассеивания ударов молнии.
Гибкие решения
Область, соединяющая крылья с фюзеляжем, выполнена из композитного стекловолокна, которое славится своей прочностью. Металлическими являются только передние кромки крыльев и опоры двигателя: первые изготавливаются из алюминия, вторые — из стали или даже титана.
Это по-прежнему лучшие материалы с точки зрения ударопрочности, но всегда ли так будет? В настоящее время компания Airbus усиливает часть крыльев модели A320 арамидным волокном, которое устойчиво практически ко всему.
Boeing оснастил самолет модели 777x композитными складными крыльями — доказательство зрелости композитных материалов. Это смелый выбор Boeing, но он был оправдан. При размахе крыльев в 72 м этот гигантский самолет рискует столкнуться с другими самолетами на стоянке. Чтобы решить эту проблему, крылья складываются, когда самолет находится на земле, обеспечивая ему 7-метровый размах, при этом он остается абсолютно устойчивым в полете. При этом металлическая система шарниров в сочетании с композитными крыльями — выигрышная комбинация, в которой использованы лучшие качества обоих материалов.
Фестиваль полимерных пленок
У композитных материалов есть несколько недостатков, например, плохая способность проводить электричество и разряжаться в случае удара молнии. Чтобы исправить это, в фюзеляж обычно вставляют сетку из медной проволоки.
Компания Solvay разработала полимерную пленку с поверхностной адгезией, которая может включать в себя очень мелкую сетку медных проводов для рассеивания электричества. Наклеенная на различные части фюзеляжа и крыльев, эта пленка также способна разглаживать углеродные волокна и улучшать аэродинамику.
Аналогичным образом компания Lufthansa в сотрудничестве с BASF разработала полимерную пленку, вдохновленную акульей кожей. Как и кожа рыбы, которая хорошо известна своими гидродинамическими способностями, она состоит из миллионов призмообразных ячеек, каждая глубиной 50 мкм (0,005 см). Такая ребристая текстура уменьшает трение воздуха о фюзеляж, тем самым снижая сопротивление. Пленка площадью 950 м2, нанесенная на самолет, экономит 400 т авиационного топлива и 1200 т углекислого газа в год. Если бы весь мировой парк дальнемагистральных самолетов был оснащен таким покрытием, то ежегодно экономилось бы около 5 млн т топлива.
Топливная система и двигатель
Термопластичные полиимиды и, в частности, полиэфиримид (ПЭИ), в основном используются в авиации в некоторых деталях двигателей, подверженных газообмену. Отлитый под давлением, полиэфиримид легче алюминия, которого он заменяет. Устойчивость ПЭИ к высоким температурам (более 150°C), химическому воздействию, гидролизу и трению делает его материалом, способным на большие подвиги.
Другие высокоэффективные термопластичные материалы — полиарилэфиркетон (ПАЭК) и полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) — также встречаются в пресс-масленках шасси. Этот материал противостоит давлению так же эффективно, как и металл, поэтому в данном случае служит его более легкой альтернативой.
Полимеры на основе эпоксидной смолы используются в передней части реактивных двигателей для снижения расхода топлива. В данном случае достижение меньшей массы не является целью — необходимым свойством является степень истираемости материала. Абразивное покрытие при контакте с движущейся деталью изнашивается преимущественно в сторону этой детали. В реактивных двигателях они встречаются на уплотнительных деталях турбин. Уменьшение до минимума зазора между движущимися частями (например, лопатками) и их корпусом улучшает аэродинамические характеристики двигателя, а значит, повышает его эффективность. Любое трение приводит к износу истираемого уплотнения, не оказывая существенного влияния на эффективность лопастей.
Сейчас ведутся разговоры о применении рядом с вентиляторами для снижения уровня шума двигателя деталей на базе эпоксидной смолы, отпечатанных с помощью 3D-технологий. С помощью аддитивного производства этот углеродно-эпоксидный полимер можно превратить во что-то вроде микроскафандра, а его пористая микроструктура обеспечит высокий уровень звукопоглощения.
Благодаря использованию таких полимеров, как ПЭЭК и углеродно-эпоксидные композиты для изготовления лопаток, двигатель LEAP (Leading Edge Aviation Propulsion — передовая авиационная силовая установка, новый тип двухконтурного турбовентиляторного двигателя) от компании CFM, которым сегодня оснащается около 90% однофюзеляжных среднемагистральных самолетов, стал на 450 кг легче предыдущего поколения, весившего почти 2500 кг. Таким образом, пластики позволили снизить расход топлива примерно на 30%.
Интерьерные решения
Полимеры играют важную роль при создании интерьеров самолетов, используются для производства верхних отсеков, чехлов для сидений, сервисных тележек, перегородок, стенок салона и многих других деталей.
Полиамид, выпускаемый компанией DuPont под маркой Nylon®, поликарбонат (ПК), полиэфиримид и даже традиционные композиты (стекловолокно и эпоксидная смола) выбираются авиастроителями, как и производителями автомобилей, в первую очередь благодаря их легкому весу и способности принимать любую форму. Однако в воздухе стандарты безопасности еще более строгие, особенно когда речь идет об огнестойкости. Чтобы пройти необходимые испытания, установленные различными органами сертификации, материалы должны обладать отличной огнестойкостью. Это свойство присуще компаундам поливинилхлорида (ПВХ), которые используются для изоляции кабелей.
ПЭИ также обладают высокой степенью термостойкости, поэтому используются для формования крупногабаритных деталей, например перегородок. Для более мелких элементов, к примеру крепежных систем, используются полиамиды, дополненные антипиренами.
Что касается верхних отсеков, то они изготавливаются из композита стекловолокна и эпоксидной смолы — чрезвычайно прочного материала, который идеально подходит для формования компонентов, которые будут использоваться тысячи раз в течение всего срока службы.
Полиэфиримид смешивают с углеродным волокном, чтобы сделать его еще более прочным и способным заменить алюминий, который раньше использовался в подлокотниках, подставках для ног, кофеварках и подставках для столиков. Пластик позволил сократить вес каждого кресла на несколько десятков килограммов и на столько же увеличить грузоподъемность самолета.
Производители все еще пытаются сделать сиденья более легкими и при этом соответствующими стандартам безопасности. Если каркасы сидений по-прежнему изготавливаются в основном из металла, как правило, алюминия или титана, то все остальное — уже из различных полимеров. Например, в подлокотниках и чехлах сидений можно найти поликарбонат.
Молодая французская компания решила эту смелую задачу, разработав кресло с каркасом из титана и углеродного волокна, которое весит всего 4 кг, что значительно легче обычного 10-килограммового сиденья. Настоящая инновация — это первое кресло из углеродного волокна, сертифицированное международной организацией CAA (Civil Aviation Authority —
Управление гражданской авиации). Недавно это кресло появилось в моделях самолетов Airbus A320 и Boeing 737.
В ближайшем будущем растительные волокна, такие как лен, можно будет использовать, например, в колесах самолетов. Они экологичны и гораздо лучше поглощают звуки и вибрации, чем их углеродные и металлические аналоги, что является неоспоримым преимуществом, когда речь идет о комфорте пассажиров и летного персонала.
Актуальные исследования
Углеродные и эпоксидные композиты по-прежнему являются «швейцарским стандартом» для высокотехнологичных отраслей промышленности, стремящихся снизить вес изделий. Они используются для производства фюзеляжей и крыльев самолетов, гоночных лодок, автомобилей «Формулы-1» и даже кроссовок.
Несмотря на то, что такие композиты обладают рядом выдающихся качеств, они не лишены недостатков, особенно с точки зрения экологии. В подавляющем большинстве случаев углеродные волокна пропитываются термореактивной смолой, обычно эпоксидной, полиэфирной или виниловым эфиром. Однако после полимеризации термореактивные смолы не могут быть расплавлены и использованы заново, поэтому их утилизация затруднена, что является недостатком в эпоху развития экономики замкнутого цикла.
Авиастроители стремятся заменить композиты инженерными термопластами, такими как ПА, полибутилентерефталат (ПБТ) или ПЭЭК, которые можно перерабатывать вторично. Еще одним преимуществом является то, что такие пластмассы не выделяют летучих соединений при пропитке волокон, что делает их более удобными в переработке.
Касательно термомеханических характеристик инженерных пластмасс, то они часто сравнимы с термореактивными материалами, особенно это касается ПЭЭК. Они были бы идеальным решением, если бы не их высокая вязкость, которая в 1000 раз выше, чем у термореактивных смол при температуре обработки, что затрудняет пропитку волокон.
Это одна из проблем, которая в настоящее время занимает исследователей. Все лаборатории ищут способ снизить температуру плавления и уменьшить вязкость ПЭЭК, чтобы упростить производство деталей, не оказывая при этом негативного влияния на их термостабильность.
Данные исследования жизненно важны для полимерной промышленности, поскольку производители металлов и сплавов быстро прогрессируют и отвое-вывают лидирующие позиции.
Инженеры, работающие с композитами, пытаются найти более энергоэффективный способ их затвердевания. В настоящее время детали выпускаются в автоклавах, своего рода гигантских скороварках, но это долгий и довольно дорогостоящий процесс, учитывая высокую стоимость оборудования.
Многие исследовательские центры ищут менее дорогие и более гибкие альтернативы автоклавам, например, разрабатывают методики, предусматривающие вливание или нагнетание жидкой смолы непосредственно на волокнистую преформу и создание своего рода армированного волокнами каркаса. Автоклав заменяется вакуумным мешком, а смола подается через простую трубку. В идеале требуется выполнять все необходимые операции при комнатной температуре и при этом производить детали одинакового качества. По данным некоторых исследовательских центров, появление такого решения уже не за горами.
Самовосстанавливающиеся материалы
С целью дальнейшего совершенствования композитов Европейский союз запустил и профинансировал проект HIPOCRATES, посвященный разработке самовосстанавливающихся материалов, которые способны без вмешательства человека устранять микротрещины и небольшие поломки.
Данное свойство особенно важно в авиационной промышленности, поскольку крылья и фюзеляжи самолетов ежедневно подвергаются микроударам, например во время града. Это не повод для беспокойства, так как самолеты спроектированы таким образом, чтобы выдерживать подобные условия, но со временем композиты изнашиваются немного быстрее, требуя вмешательства человека для ремонта и поддержания компонентов в хорошем состоянии.
Разработка конструкционных композитных материалов на основе самовосстанавливающихся полимеров — это настоящий вызов для отрасли. Уже опробованы два различных метода самовосстановления. Первый предполагает добавление в композиты микрокапсул, содержащих самовосстанавливающиеся вещества и катализатор. В случае возникновения микротрещины капсулы разрушаются и высвобождают «ремонтное» вещество, которое затем вступает в контакт с катализатором. В результате происходит полимеризация, которая инкапсулирует трещину и предотвращает ее развитие.
Во втором методе используются обратимые полимеры. В смолу просто добавляют новый химический элемент, способный заполнить трещину после воздействия внешнего сигнала — тепла, излучения или электрической индукции.
На данный момент известно не так много, потому что исследования держатся в секрете. Известно лишь, что два новых композита были успешно испытаны. Исследовательская группа надеется увидеть их практическое применение в течение ближайших пяти лет — времени, требующегося для проведения всех необходимых испытаний.
В Европе также финансируются исследования гидрофобного покрытия, которые позволят отказаться от использования стеклоочистителей на лобовом стекле кабины пилота. Стеклоочистители могут показаться незначительными деталями, но они весят несколько килограммов и увеличивают сопротивление самолета. Конечно, они не расходуют огромное количество топлива, но все это в совокупности влияет на общий вес.
Гиброфобное покрытие, по сути, представляет собой кожу из полиуретанового силан-геля, подвергнутого гидролизу. Оно наносится на лобовое стекло и после высыхания оставляет после себя твердый слой, который легко отталкивает дождевую воду. Покрытие также включает в себя прозрачный теплопроводящий слой, который помогает избавиться от воды при нанесении на поверхность стекла.
Композитный пропеллер
Суперджет с электрическим двигателем — это предмет мечтаний авиастроителей. Пока человечество ждет, когда это станет реальностью, приходится довольствоваться небольшими электрическими самолетами, обычно двухместными, чаще всего еще находящимися на стадии тестирования.
Все электрические самолеты объединяет одно: сверхлегкая конструкция из композитных материалов. Модели таких самолетов выпускают многие авиапроизводители, включая таких крупных, как Airbus. Однако в ближайшее время мы не увидим коммерческий самолет, летящий по воздуху в полной тишине, так как для его создания нужен прорыв в области производства аккумуляторов.
В то же время некоторые производители двигателей (к примеру, компания Safran) стремятся к улучшению работы традиционных реактивных двигателей. Компания разработала Open Rotor — новый тип двигателя, который намного больше нынешних реактивных двигателей и предназначен для установки в хвостовой части фюзеляжа. Обтекатель двигателя снимается, и устанавливаются два огромных 4-метровых пропеллера, вращающихся в противоположных направлениях. В мире авиации они известны как пропеллеры встречного вращения, но конструкцию самолета теперь придется полностью переделать. По данным Safran, шум, издаваемый открытым ротором, будет эквивалентен шуму, производимому двигателем LEAP. Это объясняется особым дизайном лопастей. Что касается композитного материала из углеродных волокон, то он достаточно гибкий, чтобы устранить все вибрации, характерные для гребных двигателей. Благодаря этой современной технологии расход топлива может быть снижен еще на 15-25%. Когда в начале XX века первые самолеты с двигателем поднялись в небо, кто мог представить, что через 40 лет они преодолеют звуковой барьер?
Авиационная промышленность постоянно совершенствуется, чтобы удовлетворить постоянно растущий спрос, и в эпоху, когда вопросы экологии имеют первостепенное значение, трудно сказать, как будут выглядеть самолеты через тридцать лет. Одно можно сказать точно: они должны быть значительно более экономичными с точки зрения расхода ресурсов и выбросов CO2. То же самое касается и полимеров, которые всегда играли ключевую роль в стремлении авиастроительной отрасли к повышению производительности и топливной эффективности.
Посмотреть в журнале