Арамидные органопластики для повышения птицестойкости элементов авиационных конструкций

Введение

Совершенствование авиационных материалов с целью удовлетворения постоянно возрастающих требований к современной авиационной технике – основная цель стратегии развития авиационного материаловедения [1].

Главный критерий качества авиационных материалов – обеспечение безопасности эксплуатации авиационных конструкций [2]. Одним из случайных факторов, представляющих опасность для эксплуатации элементов конструкций, является столкновение с птицами. В последние десятилетия птицы стали рассматриваться как угроза для авиации, так как их столкновения с самолетами приводят к многочисленным летным происшествиям и человеческим жертвам, а с ростом скорости и интенсивности полетов возросло и число таких случаев, представляющих серьезную опасность. Во всем мире из-за столкновений с птицами ежегодно терпят крушение в среднем 1,5 самолета. Вероятность столкновений воздушных судов с птицами – такого же порядка, как и вероятность встречи с опасными явлениями природы. По данным Международной организации гражданской авиации (ИКАО), ежегодно случается более 5000 столкновений самолетов и птиц, большая часть из которых происходит при взлете и посадке: ~75% случаев фиксируется на высоте до 300 м, ~20% – на высоте 300–1500 м и ~5% – на высоте >1500 м. Самыми уязвимыми частями самолетов являются двигатели (с их повреждениями связано от 40 до 60% предпосылок к авиационным происшествиям), кабина, планер, элементы механизации и т. д. [3–6].

Попадание птицы в двигатель чревато серьезными повреждениями, возможно разрушение лопаток вентилятора. В этом случае для обеспечения безопасности полета необходимо локализовать зону разрушения в пределах корпуса вентилятора, не допустив пробития корпуса осколками лопаток и повреждения жизненно важных систем самолета. Для обеспечения непробиваемости корпуса вентилятора осколками разрушенных лопаток применяются арамидные органопластики, из которых изготавливают защитное «удерживающее устройство», входящее в состав конструкции корпуса [7–11].

Эффективность применения органопластиков в конструкциях, предназначенных для защиты от высокоскоростного и высокоэнергетического удара, обусловлена особенностями текстильной структуры армирующего наполнителя и характером его взаимодействия со связующим [12–14].

Перегородка кабины экипажа пассажирского самолета Sukhoi Superjet 100 изготовлена из ударостойкого органопластика и обеспечивает защиту экипажа в случае возникновения нештатной ситуации (терроризм, угон) [15]. В конструкции корпуса вентилятора газотурбинных авиационных двигателей нашел применение конструкционный органопластик марки Органит 6НТ, позволяющий удерживать разрушившиеся лопатки вентилятора при попадании в двигатель птиц или инородных тел, а также обеспечивающий надежную защиту планера и систем жизнеобеспечения летательного аппарата.

Столкновение птиц с закрылками при взлете или посадке самолета приводит к разрушению обшивки из углепластика и возникновению аварийной ситуации, затрудняющей посадку самолета. В данном случае нижняя поверхность закрылка повреждается сильнее, чем его верхняя поверхность. Повреждения также могут быть вызваны попаданием в закрылки камней, обломков и мусора, находящихся на взлетно-посадочной полосе [16].

Высокая стойкость конструкционных органопластиков к ударным воздействиям свидетельствует о целесообразности их использования для изготовления защитных экранов и элементов конструкции, обеспечивающих безопасность эксплуатации при столкновении самолетов и вертолетов с птицами.

Проблема защиты от механического удара элементов авиационных конструкций стала особенно актуальной в настоящее время по ряду причин:

– увеличение доли углепластиков в материальном облике летательных аппаратов. Углепластики обеспечивают высокие конструкционную прочность и жесткость элементов конструкции, однако для них характерны хрупкий характер разрушения и склонность к растрескиванию при механическом ударе;

– расширение географических зон эксплуатации авиационной техники и, как следствие, учащение встреч с миграционными потоками, а также увеличение разновидностей птиц и сред их обитания;

– увеличение скорости и маневренности самолетов, в свою очередь повышающих вероятность и энергию соударения с птицами.

В данной работе исследована возможность использования защитных экранов из органопластиков для обеспечения птицестойкости углепластиковых закрылков крыла самолета. Приведены результаты испытаний на удар, имитирующий столкновение птицы с закрылками из углепластика, не защищенными и защищенными органопластиками.

Материалы и методы

Для изготовления экранов, предназначенных для защиты закрылка самолета от механического удара при столкновении с птицами, использованы арамидные органопластики марок ВКО-20 и ВКО-19Л. Органопластик марки ВКО-20 – ударостойкий материал специальной структуры на основе ткани из арамидных волокон Руслан и фенолкаучукового связующего марки ВК-3. Органопластик марки ВКО-19Л – листовой конструкционный материал на основе ткани из арамидных волокон Руслан и пленочного эпоксикаучукового связующего марки ВК-36РТ. Свойства органопластиков марок ВКО-20 и ВКО-19Л представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства органопластиков марок ВКО-20 и ВКО-19Л

Листы из органопластика марок ВКО-19Л и ВКО-20 изготавливали методом автоклавного формования при повышенной температуре и давлении в соответствии с температурно-временны́ми параметрами отверждения связующих. Перед автоклавным формованием органопластика ВКО-19Л проводили сборку пакетов из слоев арамидной ткани и пленочного связующего марки ВК-36РТ. В качестве полуфабриката органопластика ВКО-20 использовали препрег, изготовленный на пропиточной установке Coatema путем совмещения арамидной ткани и клеевой пленки ВК-3.

Для адгезионного соединения листов из органопластика марок ВКО-19Л и ВКО-20 между собой и приклейки защитного экрана к поверхности закрылка выбраны клеи марок ВК-25 и ВК-27, свойства которых приведены в табл. 2.

Таблица 2

Свойства клеев марок ВК-27 и ВК-25

Для проведения испытаний на стойкость к механическому удару, имитирующему столкновение с птицей, и оценки эффективности защитных экранов из арамидных органопластиков использовали конструктивно-подобные образцы закрылка. Образцы представляют собой трехслойные сотовые панели типовой конструкции размером 800×800 мм и высотой 40 мм с двумя обшивками из углепластика (на основе углеродной ленты марки ЭЛУР-0,08ПА и связующего марки ЭНФБ), а также с сотовым заполнителем из фольги АМг2Н 0,03 с размером ячейки 2,5 мм. Испытаниям на стойкость к механическому удару (падение груза массой 9 кг с высоты 30 м) подвергали конструктивно-подобные образцы закрылка самолета в исходном состоянии и при наличии на них защитных экранов из органопластика.

Результаты и обсуждение

Выбор органопластиков, которые целесообразно использовать для изготовления ударозащитных экранов для закрылков самолета, проводили с учетом основных требований, предъявляемых к материалам внешнего контура самолета (стойкость к воздействию климатических факторов, температура эксплуатации), а также особенностей различных марок арамидных органопластиков, отличающихся физико-механическими свойствами, стойкостью к поглощению влаги, жесткостью и ударостойкостью [17–20].

Для изготовления защитных экранов выбрали две марки арамидных органопластиков, которые в данной конструкции необходимо сочетать друг с другом:

– ВКО-20 – для внутреннего слоя, обеспечивающего стойкость к механическому удару;

– ВКО-19Л – для наружного слоя, обеспечивающего защиту от воздействия факторов внешней среды.

Склейку листов из органопластика марок ВКО-20 и ВКО-19Л между собой проводили клеями холодного отверждения одновременно с приклейкой к поверхности конструктивно-подобного образца закрылка крыла самолета. Такая технология в перспективе может быть использована при установке защитных экранов в полевых условиях. Для улучшения адгезии между листами органопластика проводили склейку клеем марки ВК-27 по подслою клея марки ВК-25, который наносили на шероховатую поверхность листов органопластика марки ВКО-19Л.

В составе защитных экранов, предназначенных для проведения ударных испытаний, толщину ударостойкого органопластика марки ВКО-20 варьировали от 1,5 до 0,9 мм. Толщина листов органопластика марки ВКО-19Л составляла 0,47 мм.

Испытания конструктивно-подобных образцов закрылка с защитными экранами из органопластиков проводили в условиях авиационного предприятия. Удар от столкновения с птицей имитировали ударом груза массой 9 кг (мешок с мокрым песком), сброшенного с высоты 30 м на конструктивно-подобный образец закрылка, закрепленный на опоре, показанной на рис. 1.

Рис. 1. Опора для закрепления образца

Ударным испытаниям подвергали конструктивно-подобные образцы закрылка с защитными экранами следующих типов:

– образец 1 (контрольный) – конструктивно-подобный образец закрылка без защитного экрана;

– образец 2 – конструктивно-подобный образец закрылка с наклеенным на фронтальную поверхность (со стороны удара) защитным экраном из органопластиков марок ВКО-19Л и ВКО-20 толщиной 1,5 мм;

– образец 3 – конструктивно-подобный образец закрылка с наклеенными на фронтальную и тыльную поверхности защитными экранами из органопластиков марок ВКО-19Л и ВКО-20 толщиной 1,2 мм;

– образец 4 – конструктивно-подобный образец закрылка с наклеенными на фронтальную и тыльную поверхности защитными экранами из органопластиков марок ВКО-19Л и ВКО-20 толщиной 0,9 мм.

Результаты испытаний конструктивно-подобных образцов закрылка на удар и эффективность использования органопластиков для их защиты оценивали по анализу внешнего вида разрушенных образцов и характеру повреждений.

На рис. 2 показан вид разрушения после ударного воздействия на конструктивно-подобный образец закрылка, не защищенный органопластиком. В результате ударного воздействия произошло разрушение верхней обшивки из углепластика трехслойной сотовой панели. Под разрушенной обшивкой из углепластика наблюдается смятие металлических сот. Целостность нижней обшивки углепластика не нарушена. В месте удара на нижней обшивке сотовой панели видна зона сильно деформированного углепластика – «отдулина» − размером 250–300 мм, по торцу образца наблюдается отслоение обшивки.

Рис. 2. Вид конструктивно-подобного образца закрылка, не защищенного органопластиком, после ударного воздействия

На рис. 3, а показан вид разрушения после ударного воздействия на конструктивно-подобный образец закрылка, защищенный с фронтальной стороны органопластиком марки ВКО-20 толщиной 1,5 мм. Видно, что защитный экран из органопластика не разрушен, линия сброса напряжений в виде складки направлена к границам защитного экрана, в зоне удара визуальных расслоений нет, сотовый заполнитель частично смят, на нижней обшивке из углепластика в месте удара наблюдаются трещины.

На рис. 3, б показан внешний вид после ударного воздействия на конструктивно-подобный образец закрылка, защищенный с фронтальной и тыльной сторон органопластиком марки ВКО-20 толщиной 1,2 мм. Видно, что верхний лист органопластика не разрушен, линия сброса напряжений в виде складки направлена к границам защитного экрана (меньше, чем у образца 2), расслоений в зоне удара не наблюдается, соты частично смяты, на тыльной стороне закрылка разрушений нет.

На рис. 3, в видно, что у конструктивно-подобного образца закрылка, защищенного с двух сторон органопластиком марки ВКО-20 толщиной 0,9 мм, разрушения фронтального экрана из органопластика не наблюдается, линия сброса напряжений в виде складки отсутствует, в зоне удара визуальных расслоений нет, соты смяты незначительно, на тыльной стороне в зоне удара разрушений нет, присутствует небольшая отдулина.

Рис. 3. Вид конструктивно-подобного образца закрылка, защищенного с фронтальной
стороны (а) и с двух сторон (б, в) органопластиком марки ВКО-20 толщиной 1,5 (а); 1,2 (б)
и 0,9 мм (в), после ударного воздействия

Проведенные испытания показали эффективность использования защитных экранов из органопластиков марок ВКО-19Л и ВКО-20 для обеспечения целостности конструктивно-подобных образцов закрылка самолета при ударе, имитирующем столкновение с птицей. Помимо ударостойкого органопластика марки ВКО-20 в состав конструкции экрана необходимо включить тонкий (0,47 мм) герметичный органопластик марки ВКО-19Л для защиты от воды, атмосферной влаги и других климатических факторов, поскольку органопластик марки ВКО-20 не обладает достаточной стойкостью к поглощению влаги.

По результатам проведенных исследований предложена структура защитных экранов из органопластиков для защиты от механического удара (столкновение с птицами) закрылков самолета. Защитные экраны должны располагаться с обеих сторон закрылка, каждый экран должен состоять из двух органопластиков: органопластика марки ВКО-20 толщиной 0,9 мм, обеспечивающего защиту от удара, и герметичного конструкционного органопластика марки ВКО-19Л толщиной 0,47 мм, обеспечивающего защиту от влияния влаги и других природно-климатических факторов.

Заключения

В современных условиях ввиду расширения географического охвата полетов, а также увеличения скорости и маневренности авиационной техники повышается вероятность столкновения с птицами. Принимая во внимание, что арамидные органопластики имеют предельно высокие характеристики ударной стойкости, предложено использовать эти материалы для изготовления защитных экранов, обеспечивающих «птицестойкость» элементов авиационных конструкций, в частности закрылков самолета с обшивками из углепластика.

Выбрана оптимальная структура защитного экрана, включающая ударостойкий органопластик марки ВКО-20 толщиной 0,9 мм и конструкционный герметичный органопластик марки ВКО-19Л. Предложено размещать экраны по обе стороны закрылка (на фронтальной и тыльной сторонах).

По результатам испытаний конструктивно-подобных образцов закрылка самолета подтверждена эффективность использования защитных экранов из органопластиков марок ВКО-19Л и ВКО-20 для обеспечения стойкости элементов конструкций к механическому удару – падающему грузу массой 9 кг с высоты 30 м, имитирующему столкновение с птицей большой массы, свойственной популяции птиц акватории Индийского океана.

Проведенные исследования показали, что перспективным направлением для решения проблемы безопасности полетов при столкновении с птицами является использование арамидных органопластиков для изготовления элементов авиационных конструкций, находящихся в зоне потенциального столкновения, а также использование защитных экранов или гибридных конструкций, в которых органопластики сочетаются с полимерными композиционными материалами, армированными стеклянными и углеродными волокнами [20].