Особенности технологии и полимерные композиционные материалы для изготовления крыльев перспективных самолетов (обзор)

Введение

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) чрезвычайно привлекательны по своим весовым характеристикам. Их стоимость значительно выше стоимости алюминия и его сплавов, однако когда речь идет об экономии массы изделия, то экономическая эффективность от применения углепластиков однозначно более высокая. Поэтому применение ПКМ в конструкции крыла давно привлекало конструкторов. Так, в самолете Су-47 крылья обратной стреловидности изготовлены из углепластика. Основные преимущества крыла обратной стреловидности – это значительное увеличение маневренности, большая подъемная сила по сравнению с крылом прямой стреловидности такой же площади, увеличение дальности полета на дозвуковой скорости благодаря меньшему сопротивлению, а также лучшая управляемость на малых скоростях. При этом для борьбы с упругой дивергенцией крыла необходимо придать ему повышенную жесткость. Металлическая конструкция крыла приводит к значительному увеличению массы изделия, поэтому применен углепластик, который обеспечил требуемую жесткость. Одновременно «интеллектуальные» ПКМ позволили создать самоадаптирующуюся конструкцию [1]. Из углепластика изготовлены детали мотогондолы двигателя ПД-14, элементы механизации крыла, арочные элементы моста и другие конструкции. Совершенствуются связующие, осваиваются новые способы получения армирующих наполнителей, внедряются автоматизированные технологии, осваивается вакумная инфузия с последующим безавтоклавным формованием [2–10]. Так, в АО «ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина» в Обнинске из композиционных материалов по автоклавной технологии изготавливают хвостовое оперение для самолета МС-21. На этом же предприятии освоена и технология вакуумной инфузии с последующим формованием в термопечи. По этой технологии производят формообразующую оснастку, ненагруженные детали, а также крупногабаритные обшивки космического назначения [11].

В настоящее время из ПКМ по препреговой технологии изготавливают детали крыла и фюзеляжа самолетов Boeing 787 и Airbus A350. В перспективе до 2035 г. необходимо построить более 30 тыс. самолетов типа Boeing 737, А320 и МС-21. Однако при применении современных циклов изготовления отсутствуют возможности реализовать такие планы. Поэтому, для того чтобы в месяц выпускать до 100 самолетов каждой из этих марок, требуется создание новых технологий, которые позволили бы каждый день изготавливать до трех комплектов композитных крыльев.

Каждое крыло самолета имеет две обшивки ‒ нижнюю и верхнюю, которые обеспечивают его аэродинамику. Внутренняя поверхность обшивки включает ряд параллельных стрингеров, идущих от корня до кончика и обеспечивающих структурную поддержку. В идеале стрингеры должны быть отверждены вместе с обшивкой, однако могут быть закреплены и механически. Обшивки и стрингеры окружают нервюры крыла, а также передний и задний лонжероны, которые тоже прикреплены к нервюрам и проходят по всей длине крыла. Лонжерон является основным элементом конструкции крыла, выдерживает полетные нагрузки и поддерживает крыло, когда самолет находится на земле (рис. 1).

На предприятии АО «АэроКомпозит-Ульяновск» из отечественных материалов уже изготавливают по технологии вакуумной инфузии центроплан и крыло самолета МС-21. Применение ПКМ в конструкции обеспечило возможность производства крыла большего удлинения, что в свою очередь повысило аэродинамические качество и эффективность при эксплуатации.

Рис. 1. Консоль крыла самолета МС-21-300 [12]

Особенности технологии изготовления деталей крыла самолета

по вакуумной технологии

Авиационная промышленность считается одним из самых инновационных и прогрессивных технологических секторов во всем мире. В настоящее время в разработке новых технологий производства крыла заинтересованы все мировые производители. Фирма Airbus запустила в 2015 г. программу «Крыло завтрашнего дня», по которой разрабатывается технология изготовления деталей крыла с использованием вакуумной инфузии [12].

Фирма Airbus распределила работу между несколькими партнерами, каждый из которых сосредоточился на разработке различных комбинаций материалов и процессов для разных структур [13]. Данная компания работает над обшивкой верхнего крыла, кессоном крыла, нервюрами кессона крыла, закрылками и шарниром складывающейся законцовки крыла; компания Spirit AeroSystems (Шотландия) – над обшивкой нижнего крыла, неподвижной передней кромкой и предкрылком, а компания GKN Aerospace (Великобритания) – над задним лонжероном, задней кромкой и нервюрами кессона крыла совместно с фирмой Airbus. Национальный центр композитов (Великобритания) также сотрудничает с Airbus в производстве прототипов крыльев самолетов. В рамках проекта «Крыло завтрашнего дня» фирма Fischer Advanced Composite Components (FACC) трудится над разработкой инновационных производственных процессов, которые будут использовать при изготовлении трех основных компонентов крыла: нижних кожухов кессона крыла, закрылков и панелей спойлера. Компонент крыла имеет очень цельную конструкцию, однако благодаря продуманным решениям с точки зрения материалов, процессов и дизайна компания FACC предлагает фирме Airbus доступную легкую конструкцию, обеспечивая при этом высокую пригодность для серийного производства.

Разрабатываемая технология предназначена для изучения и разработки лучших материалов, методов производства и сборки, а также новых решений в аэродинамике и архитектуре крыла, что позволит снизить затраты на оборудование и оснастку, а также повысить производительность – это особенно важно для возможного использования при производстве больших самолетов. При этом разрабатываются многочисленные технологии и варианты конструкций как внутри компаний, так и на уровне поставщиков и партнеров, что позволит в дальнейшем принимать обоснованные решения, когда придется выбирать окончательный вариант. Цель состоит в том, чтобы производить сложные конструкции быстрее, проще и экономичнее.

Оценивается несколько передовых композитных технологий, среди которых вакуумная инфузия связующего для обшивки нижней части крыла, разработанная компанией Spirit AeroSystems (Великобритания).

При проектировании и производстве новых поколений крыльев просматривается стремление к высокой степени интеграции конструкции, чтобы максимально сократить количество деталей и продолжительность их производства и сборки, обеспечивая таким образом более высокую рентабельность. Интегральная конструкция позволяет избежать последующих высоких затрат на сборку и достичь высокой степени готовности производственных процессов при высоких скоростях. Помимо сложной технологии изготовления и использования новых материалов, так называемых многоосных тканей, конструкция оснастки также оказалась в высшей степени инновационным достижением [14].

В настоящее время процесс изготовления обшивки крыла из композиционных материалов на самолетах Airbus A350 и Boeing 787 осуществляется по технологии автоматизированной выкладки препрегов (Automated Tape Laying – ATL) и является привлекательным, поскольку позволяет относительно быстро размещать существенное количество материала на большой площади, особенно если деталь имеет небольшую кривизну. Однако после выкладки заготовки детали необходимо отверждать в автоклаве, что требует длительного производственного времени. При изготовлении самолетов 787 и A350 в количестве ~10 шт. в месяц существующие технологии и оборудование обеспечивали требуемое количество деталей. Однако при попытке заглянуть в будущее оказывается, что производство самолетов следующего поколения (например, нового узкофюзеляжного самолета компании Airbus для замены A320) может составлять 60–100 шт. в месяц. Для производственного процесса, зависящего от автоклава, потребуются большие капиталовложения и производственные площади, чтобы соответствовать этим темпам, и, следовательно, процесс ATL станет неприемлемым и с практической, и с экономической точек зрения.

Именно по такой причине предполагается выбрать процессы безавтоклавной технологии. При этом особое внимание уделяется обшивке крыльев. Хотя первые составные обшивки крыла (для самолетов A350 и 787) были изготовлены по технологии ATL с последующим автоклавным формованием, использование безавтоклавных процессов не ново. Для узкофюзеляжного самолета МС-21 (Россия) обшивку крыла изготавливают по технологии вакуумной инфузии. В Ульяновске производят выкладку сухого наполнителя, пропитанного для связки биндеров на станках с автоматической выкладкой. После этого осуществляют пропитку преформы жидким связующим под воздействием вакуумной инфузии, что позволяет получить интегральную конструкцию и минимизировать последующие операции сборки, а следовательно, снизить трудоемкость и повысить производительность.

Другой самолет, у которого есть подобная обшивка крыла, – это Airbus A220. Крылья для него производит компания Bombardier Aerospace (Северная Ирландия) с использованием вакуумной инфузии в сочетании с автоклавным формованием.

Вакуумная инфузия имеет большое значение, когда дело доходит до изготовления обшивки крыла. Основными преимуществами являются безавтоклавное отверждение, возможность совместного отверждения обшивок и стрингеров, изготовление почти готовой формы обшивки и возможность экономичного производства с высокой скоростью (60–100 комплектов в месяц). Вакуумная инфузия также имеет несколько недостатков, один из которых – потенциально долгое время нахождения на оснастке.

Как отмечено ранее, разработка инфузионной обшивки нижней части крыла ведется компанией Spirit AeroSystems на своем предприятии в Великобритании. С начала 2018 г. работа компании над данной технологией была сосредоточена на изготовлении и тестировании 7-метрового прототипа. К середине июля 2020 г. компания Spirit AeroSystems находилась в процессе перехода к следующему этапу программы по изготовлению 17-метрового полномасштабного демонстратора.

Демонстратор имеет приблизительно такие же форму и размер обшивки нижней части крыла и может являться прототипом для обшивки крыла нового узкофюзеляжного коммерческого самолета, который заменит A320. Максимальная ширина обшивки составляет 3,3 м, а ширина на кончике – 1,1 м. Толщина обшивки составляет 5 мм у носка и 30 мм на стыке обшивки с деталями основного шасси.

Обшивку крыла будут производить с использованием набора технологий, разработанных компанией Spirit AeroSystems, под названием Intelligent Resin Infusion System (IRIS), включающего специализированные оснастки (рис. 2), автоматизированную выкладку материала, интегрированное формование стрингеров и строго контролируемую температуру процесса. В основе этой системы лежит встроенная технология нагрева оснастки, элементы нагрева которой расположены близко к поверхности формы, где используют низковольтный нагрев для обеспечения быстрого и точного контроля температуры. Уровня нагрева достигают за счет управления и регулирования потребляемой мощности. В оснастке из углеродного волокна, включающей крышку с подогревом и полугибкий многоразовый вакуумный мешок, используют специализированную технологию контроля температуры пресс-формы [14].

Рис. 2. Полномасштабная 17-метровая оснастка для обшивки нижней части крыла [14]

Существует несколько мест нагрева, которые управляются и контролируются индивидуально. Это позволяет каждой зоне работать при заданных температурах на протяжении всего цикла инфузии и отверждения, что очень важно, поскольку каждая зона детали требует разного подводимого тепла в зависимости от ее размера и объема. Эта усовершенствованная система нагрева является неотъемлемой частью оснастки и обеспечивает тесный контакт с деталью для уменьшения требуемых мощности и продолжительности цикла.

Полимерные композиционные материалы для изготовления деталей крыла

Углеродный наполнитель с промежуточным модулем упругости, жгутом волокна 24K для обшивки крыла поставляется компанией Teijin Carbon Europe GmbH (Германия). Форматы волокна включают однонаправленные (UD), а также двухосные и трехосные ткани (NCF). Кроме того, в комплект входят вставки из стекловолокна, для избежания расслоения при сверлении и для защиты от гальванической коррозии.

Компания Spirit AeroSystems работала в сотрудничестве с немецкой компанией, чтобы выбрать типы тканей NCF, а также сбалансировать конструктивные характеристики и стоимость производства. Часть обшивки будут производить из однонаправленных тканей или жгутов, что позволяет повысить структурные характеристики. Использование этих двух типов материалов продемонстрирует способность вводить различные материалы с помощью технологии IRIS.

Этот же наполнитель NCF компании Teijin можно применить в стрингерах, которые будут изготавливать с использованием специальной машины для формования непрерывных стрингеров, разработанной компанией Broetje-Automation GmbH (Германия). Машина для формования стрингеров будет способна изготавливать стрингеры различных толщины, кривизны и углов.

Связующее, выбранное для обшивки крыла, представляет собой однокомпонентную эпоксидную систему от компании Solvay Composite Materials’ (США). Связующее будет доставляться к сухому наполнителю через «множественные» точки впрыска, тщательно выбранные для максимальной скорости впрыска и смачивания. Инжекционное оборудование предоставлено компанией Composite Integration Ltd (Великобритания). Конструкция будет снабжена полугибким многоразовым мешком, на котором будет установлена массивная крышка с подогревом.

После отработки технологии компания Spirit AeroSystems передаст ее компании National Composite Center (NCC) для изготовления полномасштабного демонстратора: компания NCC будет программировать и эксплуатировать новую машину для выкладки слоев под руководством компании Spirit, а также проводить неразрушающий контроль. Все остальные операции (подготовка оснастки, установка стрингеров и мешка, трубок подачи связующего, выкладка на оснастку и работа на инфузионном оборудовании) будут выполняться в компании NCC самостоятельно.

Особенности технологии выкладки заготовок деталей

Выкладку слоев в компании NCC будут выполнять с помощью установки сверхвысокой скорости выкладки (рис. 3, а), роботизированной системой на базе портала, в которой используется технология автоматизации, предоставленная компанией Güdel (Швейцария).

Рис. 3. Роботизированный комплекс Gudel: общий вид (а), а также захват раскроенной заготовки с помощью манипулятора с 270 вакуумными присосками и перенос ее на форму (б)

Раскрой заготовок осуществляется на установке для раскроя (рис. 3, б). Далее двумя системами будет произведена выкладка тканей NCF в оснастку при изготовлении заготовки обшивки. Первая система, называемая FibreFORM, состоит из плотного набора присосок, которые собирают и размещают раскроенные слои тканей NCF. Вторая система, называемая FibreROLL, наматывает длинные слои на барабан, а затем раскатывает их на оснастку.

Такие технологии, как сверхвысокоскоростная выкладка, должны обеспечить наилучшие шансы на соблюдение требований к скорости, стоимости и качеству крыльев самолетов гражданской авиации нового поколения, сохраняя при этом конкурентоспособность.

Самый главный вопрос, который должен быть решен компаниями Spirit AeroSystems и NCC, – это пропускная способность. Чтобы конкурировать с процессами на основе технологии ATL [15, 16] с последующим отверждением в автоклаве, не только инфузия должна быть более производительной, но и обшивка крыла, появляющаяся в результате процесса, должна требовать минимальной последующей обработки. Для повышения производительности в эксплуатацию вводится крупномасштабная машина для выкладки, которая способна укладывать ткани.

Использование специальной технологии контроля температуры пресс-формы в сочетании с однокомпонентной системой смол от компании Airtech International (Калифорния, США) и герметизирующим слоем ускорит подачу смолы и пропитку наполнителя. Сначала смола пропитает обшивку, а в последнюю очередь – стрингеры. Пока неизвестно, сколько времени займет этот процесс, однако при учете того, что обшивка 7-метрового крыла пропитывается приблизительно за 4 ч, ожидается, что 17-метровая обшивка пропитается за такое же время.

Как отмечалось ранее, потенциально ограничивающим фактором при инфузии является относительно продолжительное время нахождения материала на оснастке, которое делает производственный цикл слишком длительным. Однако с помощью моделирования и запатентованного инструмента Trade Tool производства Spirit AeroSystems компания смогла смоделировать технологический процесс, что позволило выбрать его оптимальные режимы, а также обеспечило возможность автоматизировать управление этим процессом.

Выкладка ткани происходит быстрее, поскольку используются широкие заготовки тканей NCF по сравнению с узкой лентой для AFP, но требуется больше времени для инфузии. Однако ключевым преимуществом является продолжительность выкладки тканей NCF. В целом время использования оснастки должно быть сопоставимым по времени с применяемым на данный момент процессом или сокращаться по мере совершенствования технологии выкладки и процесса инфузии. Мультиаксиальные ткани уже используют при изготовлении таких самолетных деталей, как гермошпангоут А-380, створки люка самолета А400М [17]. Роботизированная выкладка многослойных тканей позволит не только механизировать процесс, но и обеспечит производство необходимого количества деталей для будущих больших программ выпуска летательных аппаратов [18].

Производственных мощностей, необходимых для изготовления крыльев при количестве 60 комплектов и более, потребуется значительно меньше при использовании процесса IRIS с обогреваемой оснасткой, а также при применении автоматизированного процесса выкладки заготовок из тканей NCF и машины для непрерывного формования стрингеров. Программа по выпуску 60 крыльев в месяц требует изготовления комплекта через каждые 3 ч. В том случае, если бы использовались современные технологии, количество машин ATL и автоклавов привело бы к значительным первоначальным затратам и текущим расходам. Одновременно проводятся исследования по внедрению ПКМ из термопластов. Для крыльев предполагается производить нервюры, а в перспективе применять термопласты при изготовлении фюзеляжа.

Заключения

В настоящее время детали крыльев самолетов в основном изготавливают по автоклавной технологии, что на данном этапе хорошо освоено и гарантирует требуемое качество и надежность конструкций.

В перспективе элементы крыла будущих авиалайнеров планируют изготавливать по новым технологиям – вакуумной инфузии с последующим безавтоклавным способом отверждения. Для этого потребуется создание нового производства, оснащенного высокопроизводительными установками выкладки армирующих наполнителей, в том числе с использованием как однонаправленных, так и многослойных тканей.

Для пропитки сухой заготовки из углеродного наполнителя разрабатывают специальные связующие, обладающие низкой вязкостью, что обеспечит смачиваемость и пропитку углеродных волокон во всем объеме преформы.

Необходимо также будет применять оснастку, которая обеспечивает нагрев поверхности формы с быстрым и точным контролем температуры. Уровень нагрева должен достигаться за счет управления и регулирования потребляемой мощности.

Создание таких интегральных конструкций снизит цикл изготовления и позволит производить фирмам до 100 узкофюзеляжных самолетов в месяц.