К вопросу о ремонте лопастей несущего винта вертолетной техники из полимерных композиционных материалов в полевых условиях

Введение

В настоящее время широкое применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в производстве летательных аппаратов – общемировая тенденция [1–5]. Использование ПКМ позволяет улучшить весовые характеристики, продлить жизненный цикл элементов конструкции, снизить трудоемкость производства, повысить экономическую эффективность и т. д. Одной из важнейших отраслей промышленности, в которой доля ПКМ достигает 90 %, является вертолетостроение [6].

В РФ вертолетная техника изготавливается в основном по двум схемам. Наиболее распространена одновинтовая схема с рулевым устройством (рулевой винт или рулевой винт в кольце (фенестрон)). По такой схеме выпускают вертолеты семейства «Ми», Ансат (АО «КВЗ») и Ка-62. В соответствии со второй схемой (с двумя несущими винтами, расположенными соосно) производят вертолеты семейства «Ка».

Одним из основных элементов несущего и рулевого винта является лопасть, определяющая летные характеристики и безопасность эксплуатации вертолета [7–15]. Для серийного производства лопастей применяются передовые методы проектирования, новейшие материалы и технологии. Все чаще отечественная вертолетная техника оснащается лопастями, полностью выполненными из ПКМ. Это способствует повышению надежности, ресурса, живучести лопастей и вертолета в целом.

В процессе эксплуатации лопастей несущего винта (ЛНВ), выполненных из ПКМ, могут возникнуть различные повреждения и дефекты, вызванные, как правило, чувствительностью ПКМ к ударным повреждениям. Они могут существенно ограничить дальнейшую эксплуатацию вертолетной техники вплоть до полного ее прекращения, поэтому необходимо проводить своевременный ремонт. Цель ремонта заключается в восстановлении поврежденной области для получения приемлемых характеристик лопасти (прочности, долговечности, жесткости, эксплуатационных качеств, безопасности, внешнего вида, срока службы и т. д.). Опыт эксплуатации ЛНВ как в нашей стране, так и за рубежом показывает, что вследствие ряда причин (высокая стоимость лопасти; трудоемкость демонтажа и замены; затраты на упаковку, транспортировку, ремонт в условиях производства и в результате простоя вертолета) необходимо разработать технологии, позволяющие проводить ремонт в полевых условиях.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексной научной проблемы 13.2. «Конструкционные ПКМ» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [16].

Ремонт лопастей несущего винта в полевых условиях

Для разработки технологий ремонта ЛНВ в полевых условиях необходимо определить вводные параметры, для чего важно проанализировать:

– существующие и перспективные конструктивно-силовые схемы лопастей вертолетной техники;

– допустимые и недопустимые повреждения;

– существующие методы ремонта;

– существующие и перспективные материалы, оборудование и инструменты для проведения ремонта;

– методы контроля.

Существующие и перспективные конструктивно-силовые схемы

лопастей вертолетной техники

В работах [7–15] показано, что в РФ наиболее широко применяется цельнокомпозитная лопасть, представляющая собой лонжерон с отдельной хвостовой секцией (секциями) с заполнителем, что характерно для I–III этапов развития конструктивно-силовых схем (рис. 1). Для вертолетной техники семейства «Ми» лонжерон получают методом намотки лентами из стеклонитей или гибридными лентами из стеклонитей и углеродных жгутов, предварительно пропитанных связующим ЭДТ-10П или УП-2227Н. Лонжерон лопастей для вертолетной техники семейства «Ка» и Ансат изготавливается методом ручной выкладки из стеклотканей Т-39, Т-25(ВМ)-78 и углеродной ленты ЛУ-П-0,2, предварительно пропитанных связующим 5-211Б с последующим формованием. Хвостовая часть лопастей на большинстве изделий семейства «Ми», как правило, разрезная и представляет собой трехслойную конструкцию, выполненную в виде клина. В качестве обшивок используется органопластик марки Органит 11ТЛ или стеклопластик марки ВПС-7, заполнителем служит, как правило, сотопласт марки ПСП-1 или алюминиевый сотовый заполнитель АМг2Н. Обшивки соединяют с сотовым заполнителем с помощью клея ВК-51, хвостовой отсек с лонжероном – с помощью клея ВК-9 или ВК-27А. Для вертолетов семейства «Ка» и Ансат применяется аналогичная конструкция хвостового отсека, что и для машин семейства «Ми», но с другим набором материалов. В качестве обшивок хвостового отсека применяется стеклотекстолит СК-5-211БП, приклеенный к сотовому заполнителю марки ПСП-1 или АМг2Н с помощью клея ВК-51. Хвостовой отсек соединяется с лонжероном с помощью клея ВК-9 или клея ВК-9 с подслоем клея ВК-25.

Рис. 1. Пример сечения существующих лопастей несущего винта (I–III этап развития конструктивно-силовых схем)

В настоящее время отечественные конструкторские бюро работают над проблемой повышения скоростных показателей вертолетов. Это объясняется расширением спектра военных и гражданских задач, связанных напрямую со скоростными показателями техники (например, срочная доставка жизненно важных грузов, в том числе в труднодоступные места, быстрая эвакуация тяжелораненных, больных и т. п.).

Разработка ремонтных составов для ЛНВ осложняется тем, что, согласно расчетным данным, ранее созданные аэродинамические компоновки, обеспечивающие заданную скорость, приемлемый уровень нагрузок и вибраций вертолета, не позволяют использовать отработанные методы изготовления лопастей из ПКМ.

По итогам опытно-конструкторских работ, проведенных с целью повышения скорости существующих вертолетов и достижения скорости перспективных изделий 
~400 км/ч, принято следующее решение. Лопасти несущего винта будут представлять собой цельнокомпозитное изделие из ПКМ нового поколения, изготовленное от наружного аэродинамического контура как одно целое (IV этап развития). В качестве основных материалов для изделий семейства «Ми» предусматриваются препреги на основе связующего ВСР-3М, семейства «Ка» – препреги на основе связующего ВСЭ-34. В качестве основного материала заполнителя рассматривается пеноакрилимид или синтактный пенопласт (рис. 2).

Рис. 2. Сечение (а) и общий вид (б) перспективной лопасти для изделий семейства «Ми»

Допустимые и недопустимые повреждения

Любой технологический процесс ремонта начинается с обнаружения и оценки повреждений (дефектов). Анализ научно-технической литературы [7–23] позволил классифицировать повреждения, при которых существующие лопасти подлежат и не подлежат ремонту (табл. 1 и 2).

Таблица 1

Повреждения лопасти несущего винта в зоне лонжерона,

не подлежащие ремонту

Таблица 2

Повреждения лопасти несущего винта в зоне лонжерона и хвостового отсека,

подлежащие ремонту

Окончание таблицы 2

Информация о допустимых и недопустимых повреждениях перспективных лопастей в открытом доступе отсутствует. Можно предположить, что повреждения таких изделий будут схожи с повреждениями существующих ЛНВ.

Существующие методы ремонта

Для ремонта ЛНВ, выполненных из ПКМ, в основном используется клеевой метод с применением материалов горячего или холодного отверждения [23–50]. Данный метод позволяет обеспечить жесткие требования к прочности, аэродинамической гладкости и долговечности отремонтированной конструкции ЛНВ в заданном диапазоне температур и может быть реализован непосредственно на ЛНВ, в том числе без демонтажа – в полевых условиях.

За рубежом ремонт с применением материалов горячего отверждения проводится при структурном, постоянном ремонте в условиях эксплуатирующей организации авиационными техниками и инженерно-авиационной службой с целью восстановления эксплуатационных характеристик лопастей [19–22]. При наличии соответствующего оборудования и материалов инженерно-авиационная служба может проводить клеевой ремонт в полевых условиях, что позволяет использовать отремонтированные лопасти в течение ограниченного времени для выполнения текущей задачи.

Для ремонта в полевых условиях в основном применяют материалы холодного отверждения. Однако зарубежная и отечественная практика показывает, что клеевой ремонт с применением материалов холодного отверждения обеспечивает полное восстановление эксплуатационных характеристик ЛНВ, т. е. позволяет проводить постоянный структурный ремонт.

Материалы, оборудование и инструменты для проведения ремонта

В настоящее время в отечественной практике структурный ремонт ЛНВ осуществляют только в зоне хвостового отсека. Как правило, с этой целью применяют материалы холодного отверждения – клеи ВК-9 и ВК-27, конструкционный стеклянный армирующий наполнитель с поверхностной плотностью 290 г/м² или листовой органопластик. В качестве заполнителя, помимо сотового заполнителя в конструкции ЛНВ, используют пенопласты.

Однако появление новых конструкций требует современных подходов к проведению ремонта ЛНВ. Для структурного ремонта конструкций из ПКМ за рубежом разработаны специализированные материалы и технологии. Например, к таким материалам можно отнести препреги на основе стеклянного и углеродного наполнителя, полимерной матрицы М20 (компания Hexcel), BT250E-6 (компания Toray) и др., отличительными особенностями которых являются повышенная энергоэффективность (отверждение происходит при температуре 120–130 °С) и универсальность. При создании данных материалов разработчики руководствовались необходимостью снижения издержек при ремонте конструкций из ПКМ за счет:

– сокращения продолжительности цикла отверждения, т. е. времени выхода на заданную температуру отверждения ремонтного материала;

– сокращения количества электроэнергии, необходимой для выхода на заданную температуру отверждения ремонтного материала;

– сокращения номенклатуры материалов (так как в различных изделиях авиационной техники применятся широкий спектр материалов на основе различных видов полимерных матриц и армирующих наполнителей) и перехода к универсальным системам. Это позволит проводить ремонт конструкций из ПКМ независимо от вида исходного материала и, как следствие, сократить площадь складских помещений, оборудованных холодильными и морозильными камерами, и затрачиваемые на их эксплуатацию издержки, а также исключить необходимость постоянной перепроверки материалов на соответствие требованиям нормативной документации;

– исключения дорогостоящего оборудования, применяемого в процессе ремонта – автоклавов и электропечей;

– возможности применения так называемых мобильных технологий ремонта.

В настоящее время в РФ специализированные материалы для проведения структурного ремонта отсутствуют. Однако в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработана линейка материалов на основе стеклянных и углеродных наполнителей, а также связующего с повышенной энергоэффективностью (ВСЭ-34), не уступающих по своим характеристикам материалам на основе связующего М20 (табл. 3).

Таблица 3

Свойства углепластиков марок M20/40%/G904

и ВКУ-45/UMT-3K.РТН на основе связующего ВСЭ-34

Для формования ремонтного материала и сушки зоны ремонта за рубежом используют мобильные системы ремонта, представляющие собой автоматизированные системы контроля температуры и давления с комплектом нагревательных матов и термопар (рис. 3).

Рис. 3. Оборудование для мобильного ремонта: а – HB-2 Composite Repair System; 
б – HCS9200B Dual Zone Hot Bonder; в – ACR 3 Hot Bonder; г – GMIEZ0901 Anita bonding console; д – комплект нагревательных матов и термопар

В 2019 г. с целью исключения зависимости от продукции иностранного производства в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработаны оборудование и технология ремонта конструкций из ПКМ с основными характеристиками на уровне мировых аналогов.

Оборудование и технологическое оснащение, которое используется при проведении ремонта эксплуатирующими организациями и инженерно-авиационными службами как в зарубежной, так и отечественной практике, схожи. Как правило, в качестве инструмента для проведения механической обработки (подготовки зоны ремонта) применяются ручные пневматические шлифовальные (со скоростью вращения ≤13000 об/мин) и сверлильные машины (≤3000 об/мин). Это обусловлено рекомендациями производителей режущего инструмента для ПКМ. В качестве режущего инструмента применяются борфрезы, специальные сверла для ПКМ, абразивные головки, лепестковые шлифовальные круги и другие инструменты.

Наряду с механизированными способами обработки поверхности при проведении клеевого ремонта используют стандартные методы подготовки (обезжиривание, зашкуривание, применение жертвенных слоев). Однако классические методы являются трудоемкими, приводят к значительному количеству отходов, а получаемые результаты в значительной степени зависят от квалификации специалиста. Разработаны новые более эффективные способы подготовки поверхности, такие как обработка плазмой атмосферного давления и лазерная обработка. Метод обработки плазмой атмосферного давления разработан в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, выпущена необходимая нормативная документация. Следует отметить, что в отдельных эксплуатирующих организациях стали появляться автоматизированные и роботизированные комплексы для механической обработки зоны ремонта с модулями неразрушающего контроля, позиционирования и плазмы атмосферного давления, такие как ULTRASONIC mobileBLOCK DMG, CAIRE, AGFM’s (PS/CRS) и др. (рис. 4).

Рис. 4. Автоматизированные и роботизированные устройства для подготовки зоны ремонта: а – ULTRASONIC mobileBLOCK DMG; б – CAIRE; в – AGFM’s (PS/CRS)

Методы контроля

Анализ научно-технической литературы показал, что вопросы использования неразрушающих методов контроля зон ремонта конструкций из ПКМ (монолитных и трехслойных), применяемых в лопастях вертолетной техники, в доступных источниках информации освещены недостаточно. Так, в работе [49] описано применение ультразвукового эхо-импульсного метода для контроля ремонта монолитных образцов из углепластика, а в работе [50] упоминается об использовании ультразвуковых методов и радиографии при ремонте. Несмотря на это, требования к методам и средствам неразрушающего контроля можно сформулировать на основании анализа способов и материалов, используемых для ремонта конструкций из ПКМ применительно к лопастям несущего и рулевого винта вертолетной техники.

Лонжерон перспективной лопасти вертолета будет представлять собой монолитную конструкцию из ПКМ. Ремонт монолитных конструкций осуществляется путем выфрезеровывания дефектной зоны и наложения заплаты из аналогичного ПКМ и клеев горячего или холодного отверждения. Исходя из этого, для контроля зон ремонта в данном случае можно применять ультразвуковые методы неразрушающего контроля. При сравнительно невысоком коэффициенте затухания ультразвука в материале ремонтной заплаты предпочтительно использовать ультразвуковой эхо-импульсный метод, который требует лишь одностороннего доступа к объекту контроля. Для реализации данного метода при контроле ремонта в полевых условиях подойдут как стандартные ультразвуковые дефектоскопы с одноэлементными пьезоэлектрическими преобразователями, так и дефектоскопы, работающие с фазированными решетками. При контроле зон ремонта эхо-импульсным методом можно выявить непроклеи, расслоения, посторонние включения с чувствительностью, эквивалентной выявлению искусственных отражателей диаметром от 5 до 10 мм.

Хвостовая часть лопасти, как правило, представляет собой трехслойную конструкцию с сотовым или вспененным заполнителем. Ремонт таких зон проводится путем вырезания поврежденного участка, вклеивания нового заполнителя и восстановления обшивок. Для контроля качества ремонта таких зон применяется акустический низкочастотный импедансный метод с использованием стандартных импедансных дефектоскопов (например, ДАМИ-С). В качестве преобразователей используется совмещенный или раздельно-совмещенный преобразователь (в зависимости от толщины обшивок). Импедансный метод обеспечивает выявление нарушений сплошности типа расслоений и непроклеев между монолитными обшивками и вспененным и/или сотовым заполнителем минимальным диаметром от 10 мм (в зависимости от типа конструкции и места расположения дефекта).

Заключения

Разрабатываемая технология должна обеспечить возможность проведения ремонта ЛНВ в полевых условиях с применением клеевого метода. При этом должны использоваться отечественные основные и вспомогательные материалы, оборудование и режущие инструменты.

Оборудование для контроля должно выявлять расслоения, посторонние включения, другие характерные производственные и эксплуатационные дефекты в монолитных зонах лонжерона и непроклеи с минимальным линейным размером ≥10 мм; трещины и раковины в пенопласте, расслоения во внутренних (не выходящих на наружную поверхность лопасти) стенках лонжеронов размером более 2 % от толщины.

Для механической обработки зоны ремонта следует применятьпневмо- (минимальное рабочее давление 6 ат (0,6 МПа)) и электроинструменты (с защитой от попадания углеродной и стеклянной пыли). В качестве режущего инструмента необходимо использовать средства, предназначенные для механической обработки ПКМ. При этом важно учитывать возможность подготовки поверхности ПКМ под склеивание без механического воздействия.

Оборудование, применяемое для обеспечения заданной температуры и давления в зонах ремонта, должно обладать следующими характеристиками:

При выборе материалов для ремонта ЛНВ необходимо учитывать следующие факторы:

– возможность применения клеев холодного и горячего отверждения (с температурой формования до 135 °С);

– возможность использования препрегов на основе углеродной ткани с поверхностной плотностью 200 г/м²и на основе стеклоткани с поверхностной плотностью 290 г/м² (конечная температура формования до 135 °С);

– возможность формования под вакуумным давлением;

– срок хранения препрега в морозильной камере при температуре –18 °С ‒ до 2 лет;

– диапазон рабочих температур при эксплуатации ‒ от –60 до +80 °С;

– диапазон температур для работы с препрегом ‒ от 10 до 35 °С;

– физико-механические характеристики ПКМ на основе углеродной ткани: предел прочности при растяжении ≥740 МПа, модуль упругости при растяжении ≥55 ГПа, предел прочности при межслойном сдвиге ≥70 МПа; ПКМ на основе стеклоткани: ≥550 МПа, ≥40 ГПа и ≥50 МПа соответственно.

Применение технологии ремонта лопастей несущего и рулевого винта вертолетной техники из ПКМ в полевых условиях позволит:

– повысить качество работ (снижение объемной доли пор, повышение прочностных показателей на границе раздела заплаты и ремонтируемого элемента конструкции и т. д.) за счет применения вакуумного давления в процессе формования заплат;

– сократить продолжительность технологического цикла (за счет проведения ремонта непосредственно на ЛНВ без выемки из состава вертолета, применения материалов с коротким циклом отверждения и т. д.);

– сократить издержки при ремонте конструкций из ПКМ (за счет применения материалов с коротким циклом отверждения, сокращения номенклатуры материалов, исключения из процесса дорогостоящего оборудования – автоклавов, электропечей и др.).

Использование неразрушающих методов контроля позволит обнаруживать скрытые повреждения и оценивать фактический размер скрытых и видимых повреждений, а также выявлять непроклеи, расслоения и другие дефекты, характерные для зон ремонта монолитных и трехслойных конструкций из ПКМ.