Онлайн библиотека PLAM.RU




Композиты в каркасных конструкциях

Уже более 35 лет в конструкции фюзеляжей своих вертолетов ОКБ имени Н.И. Камова применяет полимерные композиционные материалы (ПКМ). Так сложилось, что наше ОКБ занималось, в основном, вертолетами корабельного базирования и сельскохозяйственного назначения, где наряду с требованиями по прочности и жесткости к применяемым материалам предъявляются повышенные требования по коррозионной стойкости. Полимерные композиционные материалы как раз обладают высокими удельными статическими и динамическими характеристиками, сочетающимися с высокой коррозионной стойкостью.


Рис. 1. Содержание ПКМ в конструкции фюзеляжей вертолетов фирмы «Камов» (% к массе фюзеляжа)


Опыт замены каркасной конструкции фюзеляжа панельной показал, что такой переход позволяет:

- снизить трудоемкость изготовления сотовых панелей из ПКМ взамен традиционных металлических примерно на 28%;

- снизить трудоемкость изготовления и сборки агрегата из сотовых панелей по сравнению с трудоемкостью изготовления и сборки каркасного агрегата аналогичного назначения на 43-50%;

- снизить массу трехслойных панелей с сотовым заполнителем при замене алюминиевых сплавов на органопластик на 15-23%;

- сократить количество необходимого технологического оборудования в 3 раза;

- повысить удельную прочность, жесткость и устойчивость конструкции при работе в условиях сложного (в том числе динамического) нагружения;

- снизить время разработки конструкторской документации.

Процесс внедрения ПКМ в конструкцию фюзеляжей условно можно разделить на три этапа.

Первый этап - создание отдельных деталей несилового назначения из стеклопластика путем механической замены металла (в основном, обшивок) на полимерные композиционные материалы (в основном, стеклопластик) в рамках традиционной конструкции «металлического» типа. По времени этот этап охватывает период с конца 50-х до начала 70-х годов (Ка-25, Ка-26).

Второй этап - разработка и внедрение агрегатов силового назначения, в том числе трехслойных панелей с сотовым заполнителем и обшивками из полимерных композиционных материалов. По времени этот этап охватывает период с начала 70-х до середины 80-х годов (Ка-27, Ка-126, Ка-50).

Третий этап - создание интегральных цельнокомпозитных структур и крупногабаритных конструкций агрегатов фюзеляжа на базе многофункциональных материалов. По времени этот этап охватывает период с середины 80-х годов по настоящее время (Ка-62).

Динамику применения ПКМ в конструкции планера вертолетов марки «Ка» можно увидеть, проследив хронологию создания наших вертолетов (рис. 1).

Последним аппаратом ОКБ, который имел классический цельнометаллический фюзеляж, был винтокрыл Ка-22. Уже на вертолете Ка-25, созданном в конце 50-х годов, из ПКМ был выполнен обтекатель РЛС и создан экспериментальный отсек стабилизатора, в котором кессонная часть была выполнена из трехслойных панелей с обшивками из стеклопластика и хлопчатобумажными сотами в качестве заполнителя. Одновременно на этом вертолете был получен опыт эксплуатации трехслойных панелей с сотовым заполнителем в виде конструкций грузового пола, что в дальнейшем позволило перейти к их широкому применению в конструкции наших фюзеляжей.

Первым вертолетом, где в достаточно заметном количестве были применены полимерные композиционные материалы, стал вертолет Ка-26, созданный в начале 60-х годов. В основном, это были стеклопластики на связующем холодного отверждения (в конструкциях типа зализов, капотов и обтекателей) и готовые пластики типа стеклотекстолитов (обшивки панели пола грузопассажирской кабины). Для этого вертолета специалисты нашего предприятия впервые попытались создать хвостовую балку методом намотки, но конструкция оказалась неудачной. Полимерные композиционные материалы в конструкции фюзеляжа составили в то время около 5-6% от общего веса фюзеляжа.

В дальнейшем, с появлением новых ПКМ высокой прочности и жесткости на связующих горячего отверждения, возможности применения таких материалов в конструкции фюзеляжей вертолетов расширились. Так, на вертолете Ка-27, построенном в середине 70-х годов, уже применены полимерные композиционные материалы в конструкции рулей направления, стабилизатора, килей, предкрылков, в крышках люков, обтекателях антенн. В нагруженных частях фюзеляжа широко используются клееные конструкции в виде трехслойных панелей с сотовым заполнителем, но обшивки этих панелей, в основном, выполнены из алюминиевых сплавов. Трехслойные панели с обшивками из ПКМ и монолитные панели из стеклопластика были применены в конструкции интерьера вертолета Ка-32.

Внедрение новых материалов предопределило решительный переход от традиционной металлической стрингерной (каркасной) конструкции к слоистой с обшивками из ПКМ и сотовым заполнителем. На вертолетах Ка-27, Ка-29, Ка-32 впервые в наших конструкциях были применены органопластики типа «органит-7т» (зарубежный аналог - «кевлар»), по удельной жесткости не уступающие алюминиевым сплавам, а по прочности превосходящие их в 3-4 раза. Низкая скорость распространения трещин (в том числе усталостных), высокая вязкость разрушения, ударо- и вибропрочность органопластиков позволили нам применить их в конструкциях таких агрегатов, как рули направления, хвостовая часть стабилизатора.


Рис. 2. Кессон крыла вертолета Ка-50


Рис. 3. Хвостовая балка вертолета Ка-50 (снята правая боковая панель)


Рис. 4. Контейнер топливного бака вертолета Ка-50


Нами были изготовлены опытные агрегаты и проведены все виды испытаний (в том числе летные), в результате которых был достигнут положительный результат: при увеличении разрушающей нагрузки на 9% получено снижение массы отдельных элементов руля направления на 30%, а массы всего руля - на 15%. Однако вследствие того, что в то время промышленный выпуск органопластика еще не был налажен в требуемом объеме, в серийное производство был запущен вариант конструкции оперения из стеклопластика.

Следующим шагом, значительно расширившим область применения ПКМ в конструкции фюзеляжей наших вертолетов, стал вертолет Ка-50, в конструкции которого эти материалы составили уже около 36% от массы фюзеляжа.

С самого начала проектирования этого вертолета учитывалась возможность широкого применения в конструкции его фюзеляжа ПКМ. Поэтому теоретические обводы фюзеляжа и компоновочные решения по возможности постарались выбрать так, чтобы панели получились плоскими или одинарной кривизны. Такая задача была выполнена, и в настоящий момент из всех трехслойных панелей, имеющихся в конструкции фюзеляжа, 90% - плоские или одинарной кривизны. Это значительно повышает технологичность вследствие упрощения изготовления оснастки, меньшего коробления панелей при изготовлении, существенного упрощения раскроя препрегов.

При сравнительно небольших габаритах вертолета свыше 70 м2 поверхности его фюзеляжа занимают более 100 трехслойных панелей с сотовым заполнителем. 40% этих панелей можно отнести к силовым конструкциям (например, панели кабины экипажа, консолей стабилизатора, крыльев, вертикального оперения, хвостовой балки, центрального кессона, контейнеров топливных баков, см. рис. 2, 3, 4, 5). Максимальный размер панелей фюзеляжа составил 2х1,5 м. Кроме конструкций типа трехслойных панелей, из полимерных композиционных материалов выполнены окантовки дверей и люков кабины экипажа, носовой кок, различные зализы, кожухи и другие элементы конструкции фюзеляжа.

В конструкции фюзеляжа этого вертолета были использованы следующие материалы: обводообразующие элементы, стенки, шпангоуты, в основном, представляют собой трехслойные панели с обшивками из материалов типа «органит» или композиций «органит- уголь», «органит-стекло» и с сотовым заполнителем типа ПСП-1, которые собираются на металлическом каркасе традиционным способом - клепкой. Работа по внедрению ПКМ в конструкцию фюзеляжа вертолета Ка-50 проводилась нами совместно с другими институтами отрасли по целевой комплексной программе и включала в себя не только создание материалов, но и поиск конструктивнотехнологических решений. Реализация таких конструкторских и технологических решений позволила не только снизить массу агрегатов, но и в несколько раз уменьшить количество деталей, что привело к резкому снижению трудозатрат при изготовлении деталей и сборке агрегатов. Сам же характер сборочных работ (способы сборки и применяемый инструмент) существенно не изменился, что также способствовало быстрому внедрению в производство.

В процессе создания этого вертолета был решен ряд задач, связанных с заменой традиционной металлической конструкции на конструкцию из ПКМ: снятие статического электричества, увеличение работоспособности антенных устройств, герметичности тонких пластиковых обшивок и др.


Рис. 5. Применение ПКМ в конструкции фюзеляжа и оперения вертолета Ка-50


Рис. 6. Применение ПКМ в конструкции фюзеляжа и оперения вертолета Ка-126


Рис. 7. Применение ПКМ в конструкции фюзеляжа и оперения вертолета Ка-60


Создание вертолета с широким применением ПКМ (главным образом, за счет внедрения новых легких органопластиков) позволило:

- снизить массу отдельных элементов конструкций на 20-30%;

- снизить массу фюзеляжа примерно на 100 кг;

- повысить отказоустойчивость и живучесть вертолета;

- увеличить ресурс отдельных агрегатов планера в 2-2,5 раза;

- снизить трудоемкость и энергетические затраты при изготовлении сложных элементов конструкции за счет уменьшения количества деталей, сокращения цикла клепально-сборочных работ в 1,5-3 раза;

- сократить продолжительность цикла изготовления агрегатов в 1,5-3 раза;

- снизить трудоемкость плазовых работ в 2 раза.

Параллельно с постройкой вертолета Ка-50 строился Ка-126, который создавался как однодвигательная (с газотурбинным двигателем) модификация Ка-26. С точки зрения применения в конструкции фюзеляжа этого вертолета полимерных композиционных материалов, мы сделали шаг назад по сравнению с Ка-50. Но это произошло не вследствие нашего разочарования в этих материалах или недостаточного опыта их применения, а лишь из-за желания сохранить возможно большую преемственность новой конструкции и Ка-26. Тем не менее из полимерных композиционных материалов для Ка-126 выполнили хвостовые балки, вертикальное и горизонтальное оперение, боковые панели, грузовой пол транспортной кабины, ряд панелей центрального кессона, а также различные обтекатели, зализы и крышки люков, что в общей сложности в конструкции фюзеляжа составило около 20% (см. рис. 6). Всего на вертолете насчитывается 41 панель трехслойной конструкции и только 6 из них выполнены из алюминиевых сплавов.

Ярким примером преимущества ПКМ перед традиционной металлической конструкцией может служить хвостовая балка Ка-26, ведь у нее есть прослуживший более 25 лет аналог - хвостовая балка вертолета-предшественника Ка-26. Анализ характеристик обеих конструкций показывает, что по сравнению с хвостовой балкой вертолета Ка-26 в хвостовой балке Ка-126 количество деталей сокращено со 109 до 38, количество единиц крепежа с 1570 до 100, а количество применяемых материалов с 27 до 8.

В это же время продолжалась отработка создания различных типов конструкций элементов фюзеляжа из ПКМ, отработка способов соединения между собой агрегатов из ПКМ, а также поиск (продолжающийся и сейчас) наиболее оптимального решения проблем, возникающих в области радио- и электрооборудования в связи с заменой традиционной металлической конструкции фюзеляжа конструкцией из ПКМ.

Итак, приступая к проектированию вертолета Ка-62, мы уже имели достаточный опыт проектирования, постройки и эксплуатации вертолета с фюзеляжем из ПКМ. Это позволило нам создать фюзеляж, уже более 60% конструкции которого создано из этих материалов. В сознании разработчиков прочно укрепилась мысль о том, что для получения существенных преимуществ при внедрении в конструкцию фюзеляжа полимерных композиционных материалов необходимо переходить к созданию крупногабаритных конструкций из композиционных материалов с одновременным расширением их применения. Это приведет к увеличению весовой отдачи, снижению трудоемкости изготовления и сборки агрегатов, широкому внедрению систем автоматизированного проектирования на всех этапах - от чертежа до готовой продукции. При этом проектирование конструкций должно вестись на новых принципах, исключающих механическое копирование идеологии металлических конструкций. С учетом этих соображений мы разрабатывали конструкцию фюзеляжа вертолета Ка-62.

В этой модели вертолета внедрен широкий спектр типов конструкций из ПКМ: от уже привычных трехслойных панелей с сотовым заполнителем типа ПСП-1 и обшивками из материалов типа «органит- уголь» до многослойных силовых элементов - балок, шпангоутов и других аналогичных элементов конструкции фюзеляжа (см. рис. 7, 8).

Применение ПКМ в отдельных агрегатах типа оперения и хвостовой балки доходит до 90% и более от общей массы агрегата. В конструкции фюзеляжа этого вертолета уже широко применяется технология выкладки препрегов, а также намотки таких элементов, как лонжероны консолей стабилизатора и вертикального оперения, хвостовая балка, балка крепления хвостового редуктора.

Из металла на фюзеляже этого вертолета выполнены:

- стыковочные шпангоуты;

- шпангоуты и балки, воспринимающие большие сосредоточенные нагрузки (например, крепление главного редуктора, шасси);

- некоторые стенки и панели, где применение ПКМ нецелесообразно вследствие наличия в них большого количества различных вырезов и точек крепления для монтажа различных систем вертолета, а также панели двигательного отсека и отсека ВСУ (из-за требований огненепроницаемости).


Рис. 8. Фюзеляж вертолета Ка-62, предназначенный для статических испытаний


Приобретенный нами опыт проектирования и изготовления элементов конструкции фюзеляжа из полимерных композиционных материалов позволяет сделать ряд выводов. Во-первых, для получения наибольшего эффекта от внедрения в конструкцию ПКМ проектирование вертолета, начиная с первой его компоновки, должно вестись с учетом особенностей этих материалов. Необходимо учитывать, например, что наибольшего снижения массы от использования ПКМ в конструкции фюзеляжа вертолета можно добиться, применяя эти материалы лишь в крупногабаритных конструкциях с минимальным количеством стыков. Нельзя забывать, что лучше всего полимерные композиционные материалы работают на растяжение и значительно хуже на сжатие. Следовательно, крепление и расположение агрегатов вертолета, «отвечающих» за основное нагружение, должно, по возможности, выбираться так, чтобы эти материалы работали на растяжение. Кроме того, прокладка трасс трубопроводов и жгутов должна проектироваться так, чтобы не допускать большого количества разветвлений. Сами же места крепления систем к фюзеляжу по возможности должны быть общими для разных систем. Чем больше отверстий (вырезов) и крышек люков, тем менее эффективным становится применение ПКМ по сравнению с обычной металлической конструкцией и т.д.

Во-вторых, создание оптимальной по прочности, массе и стоимости конструкции с использованием полимерных композиционных материалов невозможно без применения современных методов расчета на прочность с учетом анизотропии свойств материалов. Причем эти расчеты должны быть подкреплены достаточным количеством экспериментальных данных. В противном случае можно либо совсем не получить никаких преимуществ от ПКМ, либо их преимущества будут сведены к минимуму, по сравнению с которым затраты, связанные с изготовлением композитных деталей и агрегатов, окажутся такими, что заставят отказаться от их применения в данной конкретной конструкции.

В-третьих, важнейшим вопросом остается качество изготовления деталей и агрегатов из ПКМ.

Последние два пункта не являются предметом рассмотрения в данной статье и лишь обозначены здесь, но обоим этим вопросам в фирме «Камов» уделяется пристальное внимание.

Дальнейшее снижение массы каркасных конструкций с помощью применения ПКМ возможно в двух направлениях: во-первых, за счет применения термоусаживаемых клеевых пленок с массой 150-200 г/м² ; во-вторых, за счет применения клеевых препрегов, что позволяет снизить не только массу трехслойных панелей, но и трудоемкость их изготовления (изготовление конструкции за один технологический переход).

Таким образом, опыт работы конструкторов фирмы «Камов» позволяет сделать однозначный вывод: будущее при создании вертолетных фюзеляжей мы видим в разумном применении в их конструкции все большего количества полимерных композиционных материалов.

Вагин А.Ю., Головин В.В., фирма «Камов»









Главная | Контакты | Нашёл ошибку | Прислать материал | Добавить в избранное

Все материалы представлены для ознакомления и принадлежат их авторам.