Панели пола салона и багажно-грузового отсека из полимерных композиционных материалов современного отечественного самолета

Введение

В настоящее время Российская Федерация подвергается многочисленным и целенаправленным вызовам и угрозам со стороны ведущих стран мира. Санкционная политика, проводимая этими странами, направлена на снижение национальной безопасности Российской Федерации во всех ее аспектах. Одним из таких аспектов является авиационная отрасль, которая в современных условиях имеет особое значение для транспортной системы нашей страны. Воздушный транспорт используется во всех видах сообщений – местном, региональном, магистральном и международном [1].

К 2022 г. гражданский сектор отрасли насчитывал 1287 воздушных судов, принадлежавших различным российским эксплуатантам. При этом парк отечественной авиационной техники, произведенной в Российской Федерации или бывшем Союзе Советских Социалистических Республик, составлял 36,5 %. В этом же году государство столкнулось с выбыванием иностранных воздушных судов и необходимостью ускоренного перехода на отечественную технику, чтобы в перспективе исключить потери численного состава современного авиационного парка и соответствующих объемов перевозок. В этой связи разработана Комплексная программа развития авиатранспортной отрасли Российской Федерации до 2030 года (далее ‒ Программа), в рамках которой предусмотрены ускоренное замещение и поддержание имеющегося парка иностранных воздушных судов, а также увеличение парка отечественной авиационной техники. В рамках Программы к 2030 г. предполагается поставка 994 единиц современной отечественной авиационной техники (табл. 1) [2].

Отечественная авиационная техника, представленная в Программе, разработана с учетом широкого применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) в их конструкциях. Использование ПКМ обусловлено снижением массы, повышением прочности, жесткости и эксплуатационных характеристик элементов конструкции авиационной техники. Этот факт касается не только нагруженных элементов конструкции планера, но и элементов интерьера салона самолета и багажно-грузового отсека (БГО) [3].

Одним из основных элементов интерьера салона самолета и БГО является пол. Конструкция пола представляет собой набор панелей, площадь которых составляет ~80 и ≥200 м² у региональных и магистральных самолетов соответственно, а масса – от 250 до 500 кг. Комплект панелей пола формируется из заготовок трехслойных сотовых панелей, различающихся по массе и прочностным параметрам в зависимости от их расположения в салоне и БГО авиационной техники [4, 5]. Впервые в отечественной практике создания пассажирских самолетов панели пола из ПКМ (сотовые и многослойные) использованы при проектировании самолета Ил-96-300 [6].

В настоящее время из восьми отечественных самолетов, представленных в Программе, лишь к панелям пола самолета МС-21-300 предъявляют особые требования по прочности и жесткости. При этом необходимо отметить, что из всех представленных воздушных судов только в конструкции самолета Ил-114-300 применяются панели пола, полностью изготовленные из отечественных материалов, разработанных в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Если в случаях с самолетами МС-21-300, SSJ-NEW, Ту-214, Ил-114-300, ЛМС-192, ЛМС-901 «Байкал» и ТВРС-44 «Ладога» вопрос внедрения панелей пола разработки НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ остается лишь за принятием разработчиком соответствующего решения, то в случае с самолетом МС-21-300 необходимо разработать панели пола с необходимыми характеристиками, соответствующими техническим требованиям.

При проектировании конструкций панелей пола из ПКМ необходимо руководствоваться требованиями норм летной годности (АП-25), принимать во внимание разнообразие индивидуальных требований разработчиков воздушных судов, существующие типовые решения и возможность получения новых проектных решений. В свою очередь при разработке новых решений необходимо учитывать технологические, материаловедческие, производственные факторы и ряд специфических требований к панелям пола современных пассажирских самолетов: обеспечение стойкости к ударным и другим сосредоточенным нагрузкам (продавливание каблуком дамских туфель, циклическое нагружение роликами тележки с продуктами и др.) [4]. В связи с тем, что ПКМ являются в различной степени пожароопасными [7], ведущие мировые компании работают над созданием таких материалов, которые будут отвечать сбалансированному комплексу физико-механических свойств, огнестойкости и токсичности, а также экономической эффективности.

До того как ПКМ начали активно внедрять в конструкции авиационной техники, панели пола изготавливали в виде трехслойной конструкции с обшивками из таких материалов, как фанера, стеклотекстолит КАСТ-В, листовой алюминий, в качестве заполнителей использовали пенопласт или алюминиевые соты [8]. Применение ПКМ нового поколения позволяет добиться среднего снижения массы 1 м² панелей пола более чем на 30 %. При этом важно учитывать, что снижение массы не должно влиять на конструкционные характеристики разных типов панелей пола, используемых в различных видах самолетов и на их конкретных участках, т. е. панели пола при минимально возможной массе должны иметь достаточную жесткость и прочность. При передвижении пассажиров по салону самолетов должно быть обеспечено ощущение достаточной жесткости конструкции через тактильные ощущения приемлемо малых прогибов [9–11].

Работа выполнена в рамках реализации комплексной проблемы 13.2. «Конструкционные ПКМ» [12].

Материалы и методы

Достижение поставленной задачи невозможно без аналитического обзора состояния вопроса в отечественном авиастроении. Обзор проведен на основе изучения широкого круга российских и зарубежных научно-технических журналов и патентов, освещающих современное состояние вопроса. В исследовании использованы фонды НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, РГБ, ГПНТБ, НЭБ eLIBRARY.RU, ВПТБ, официальные сайты производителей панелей пола, базы данных в сети Интернет.

Результаты

В настоящее время в Российской Федерации существуют четыре независимых друг от друга разработчика авиационной техники, чьи изделия до 2030 г., в соответствии с планами правительства, будут обеспечивать полный объем авиационных перевозок в стране и их рост: ПАО «Яковлев», ПАО «Ил», АО «Туполев», АО «УЗГА». Как правило, в конструкции пола воздушных судов представленных разработчиков различают четыре типа панелей пола в зависимости от зоны расположения: I – в подкресельной зоне, II – в зоне проходов, III – в сервисной зоне (вход/выход), IV – в БГО. На рис. 1–5 представлен пол салона и БГО самолетов SSJ-100/SSJ-NEW, Ил-114-300, МС-21-300, Ту-214 и Ил-96-300. Несмотря на унификацию расположения по самолету требования к панелям пола в конкретных зонах существенно различаются.

Так, в 2008 г. разработчик самолета SSJ-100 для каждого типа панелей пола в самолете сформировал технические требования (табл. 2) на базе заготовок панелей пола (ЗПП) Fibrelam Grade (компания Hexcel, США).

В части требований по горючести все разработчики авиационной техники ориентируются исключительно на положения АП-25: для панелей пола I, II и III типов – Приложение F, Часть I (a)(1)(i), (b), IV типа – Приложение F, Часть I (a)(1)(ii), (b) и (a)(2)(iii), (b). Поэтому в данной работе требования по горючести отдельно не рассматриваются. При этом следует обратить внимание на то, что проблема обеспечения пожарной безопасности остается актуальной при разработке ПКМ, доля которых в составе авиационных конструкций, включая элементы интерьера, постоянно возрастает [13].

С учетом данных ранее проведенных работ по внедрению ЗПП производства компании Hexcel в конструкцию самолетов Ту-204 и Ту-2014 (АО «Туполев») уточнены свойства производимых ЗПП. В результате требования к ЗПП были скорректированы, выпущены ТУ 752.001–01, на которые впоследствии могли ориентироваться другие разработчики воздушных судов.

При формировании технических требований в 2008 г., помимо массово-прочностных и эксплуатационных показателей, разработчик регламентировал состав ЗПП. Учитывая тот факт, что в 2008 г. в стране отсутствовали ПКМ для изготовления ЗПП, разработчик рассматривал в качестве основных материалы зарубежных компаний Hexcel (США) или Gurit (Швейцария). Объясняя необходимостью унификации с импортными воздушными судами (ЗПП проходили по спецификации Boeing BMS4-17), заготовки панелей пола поставляла вначале компания Hexcel (США), а затем вплоть до 2014 г. – ее дочерняя компания AIM Altitude UK Ltd (Великобритания) [14].

В 2014 г., учитывая геополитическую обстановку, разработчик самолета SSJ-100 начал поиск поставщика ЗПП внутри страны. Разработчик сформировал разные технические требования к ЗПП с обшивками из стекло- и углепластика. Технические требования были направлены в ряд организаций, в том числе в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, АО НИАТ, ООО ЦАТИ.

В ходе проведения опытных работ по производству панелей пола в АО НИАТ установлено, что при заданных разработчиком параметрах исходных полуфабрикатов крайне трудно получить необходимые характеристики ЗПП с учетом того, что исходные материалы могут поставляться с определенным допустимым разбросом значений свойств. В таком случае необходимо было делать селективный отбор исходных материалов, к чему зарубежные поставщики полуфабрикатов были не готовы. Кроме того, разработчик воздушного судна выдвигал строгие требования к дымообразованию (компонентам дыма), в то время как во всей мировой практике поставок эти требования считались факультативными (обязательные требования предъявляются только к горючести) и практически невыполнимыми для панелей пола, которые, в отличие от других трехслойных интерьерных панелей, изготавливали из препрегов на основе не фенольного, а эпоксидного связующего для достижения необходимых механических свойств [3, 4].

Параллельно с работами, проводимыми АО НИАТ, разработчик согласовал технические требования с компанией AIM Altitude UK Ltd, которая вплоть до 2020 г. поставляла соответствующие им ЗПП [14]. Однако с ужесточением санкционной политики поставки были прекращены.

В итоге полученный технический задел стал основой для формирования технических требований к панелям пола самолета SSJ-NEW, который начали проектировать в 2019 г. В табл. 2 представлены технические требования, которые претерпели значительные изменения с 2008 г.

Следует отметить, что с момента изготовления первого серийного самолета SSJ-100 (2008 г.) прошло 17 лет, выпущено 232 машины (с 2019 г. выпущено 67 машин). В процессе эксплуатации по истечении определенного налета панели пола требуют замены на аналогичные. Складские запасы ЗПП производства компании AIM Altitude UK Ltd не безграничны. В связи с этим возникает острая необходимость в разработке ЗПП отечественного производства, соответствующих требованиям ПАО «Яковлев». В настоящее время эту проблему пытается решить ряд предприятий нашей страны путем внедрения отечественных материалов в конструкцию самолета SSJ-100, а впоследствии – в модель SSJ-NEW.

В это же время проблемным вопросом являлось обеспечение панелями пола самолета Ил-114-300. Разработчик ПАО «Ил» для своего самолета сформировал технические требования к ЗПП (табл. 3) с учетом опыта применения ЗПП производства компании AIM Altitude UK Ltd на самолетах SSJ-100 и Ан-148.

Конструкторы ПАО «Ил» прежде всего учитывали тот факт, что на момент конструкторской проработки самолета ЗПП из российских материалов отсутствовали на рынке, а ПАО «Ил» – ВАСО в рамках кооперации внутри контура ПАО ОАК занималось доводкой ЗПП компании AIM Altitude UK Ltd до панелей пола (устанавливались втулки крепления, торцы панелей и места размещения втулок крепления заполнялись полимерной синтактной пастой). Однако в связи с санкционным давлением со стороны западных стран прекратились поставки импортных ЗПП, исходных компонентов, препрегов, а в 2020 г. – полимерной бумаги Nomex для изготовления полимеросотопласта марки ПСП-1 производства ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина.

В кратчайшие сроки, используя научно-технический задел, НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ при участии специалистов ПАО «Ил» разработал ЗПП на основе препрегов с пониженной горючестью [16, 17] полностью из российских компонентов. Новые разработки внесены в конструкторскую документацию, на них оформлена вся необходимая нормативная документация (ТУ 1-595-УНТЦ-1930–2021) и в течение 2021 г. освоено их серийное производство (табл. 3) [3]. Учитывая невозможность поставки на тот момент полимеросотопласта марки ПСП-1, использовали сотовый заполнитель марки ССП-1-2,5 производства ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина. В 2021 г. поставлен самолетокомплект на самолет Ил-114-300 (№ 0110).

Проведено сравнение технических требований, предъявляемых к ЗПП для самолетов Ил-96-300 и Ту-214 [5, 15] (табл. 3), и результатов, полученных НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Можно сделать вывод, что при принятии соответствующего решения разработчиком ЗПП разработки НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ могут быть применены в конструкции данных самолетов.

Рассматривая в целом ситуацию с ЗПП, которые используются в качестве настила пола и не интегрированы в силовую схему самолета, можно утверждать, что на рынке присутствует конкуренция. Требования разработчиков, предъявляемые к ЗПП, максимально схожи (с небольшими допущениями). В итоге как минимум пять организаций могут поставлять ЗПП, соответствующие требованиям разработчиков самолетов SSJ-100/SSJ-NEW, Ту-214, Ил-114-300, Ил-96-300, ТВРС-44 «Ладога». Решение вопроса о применимости ЗПП того или иного поставщика остается за заказчиком, который будет учитывать прежде всего ценовую политику, локализацию и производственные мощности, наличие в конструкции максимального количества отечественных компонентов.

Ситуация с ЗПП для самолета МС-21-300 более сложная. В настоящее время в Российской Федерации отсутствуют ЗПП с характеристиками, которые обеспечили бы возможность выполнить требования разработчика к панелям пола для данного воздушного судна. При проектировании самолета данные ЗПП предполагалось получать из-за рубежа. Разработчик ориентировался на ЗПП компании The Gill Corporation (США) [18].

Анализ данных показывает, что требования к панелям пола самолета МС-21-300, предъявляемые в 2015 г., полностью соответствуют показателям продукции компании The Gill Corporation, в частности показателям панелей марок Gillfloor 4709, Gillfloor 4809, Gillfloor 4417 и Gillfab 4223. За 10 лет технические требования претерпели незначительные изменения в сторону смягчения, однако по-прежнему остаются одними из самых «жестких» по сравнению с требованиями других разработчиков воздушных судов в Российской Федерации.

Стратегические направления развития разработок НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ нацелены на решение проблемы импортозамещения и создания перспективных материалов с улучшенными показателями, не уступающих лучшим зарубежным материалам-аналогам и обеспечивающих главные потребности отечественного авиастроения. Возможным решением задачи по импортозамещению панелей пола салона самолета и БГО станет реализация мероприятия «Разработка комплекса материалов и технологий их изготовления для конструкций заготовок панелей пола салона самолета и заготовок боковых, потолочных панелей и панелей пола багажно-грузового отсека, соответствующих требованиям авиационных правил АП-25», проводимого в рамках комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Новые композиционные материалы: технологии конструирования и производства» [19, 20].

Обсуждение и заключения

Исходя из изложенного, можно утверждать, что для обеспечения самолета МС-21-300 ЗПП необходимо решить технически сложные задачи, главная из которых – разработка комплекса ПКМ и панелей пола салона самолета и БГО на их основе. При этом необходимо учесть множество факторов, связанных с материаловедческими и технологическими вопросами. Этим проблемам будет посвящена вторая часть данной работы.

Необходимо уточнить, что в сложившейся ситуации нельзя забывать о более 800 воздушных судов иностранного производства, где также используются как силовые, так и несиловые панели пола. В процессе эксплуатации панели пола выходят из строя и требуют замены. В настоящее время этой проблемой озадачены ведущие авиакомпании страны: ПАО «Аэрофлот», АО «Авиакомпания «Сибирь», АО «Россия» и др. Вопрос внедрения отечественных панелей пола в конструкцию иностранных воздушных судов, соответствующих спецификациям BMS и AIMS, остается открытым и в компетенции данных компаний, так как они обладают сертификатом разработчика авиационной техники ФАП-21J с расширенными полномочиями, позволяющими разрабатывать модификации и проводить нестандартные ремонты воздушных судов и конструкционных элементов самолетов.

Работа проведена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Министерство) в рамках Соглашения № 075-11-2025-011 между Министерством и Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» на основании Распоряжения Правительства Российской Федерации № 1789-р от 04.07.2023 об утверждении комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Новые композиционные материалы: технологии конструирования и производства» [19].