Применение пенопласта в авиастроении

Обновлено: 18.05.2024

Самолёт-планер из пенопласта. В чём причина бешеной популярности?

Метательный самолет-планер , изготовленный из пенопласта – это изделие, получившее огромную популярность среди мальчишек (и даже некоторых девчонок) дошкольного и школьного возраста. Что же вызвало небывалую популярность метательного планера среди населения?

Основные причины популярности

Популярность самолета-планера основывается на нескольких параметрах:

в преимуществах;
функциональности;
простоты управления;
возможности ознакомить ребенка с основами аэродинамики.

Преимущества

Метательная модель самолета-планера обладает массой достоинств:

хорошими аэродинамическими качествами, позволяющими изделию, после запуска, парить в воздухе на протяжении определенного времени – в среднем около минуты;
безопасностью для здоровья пользователя – пенопласт (полипропилен) не выделяет вредных веществ, отрицательно влияющих на самочувствие человека;
двумя вариантами исполнения – с вмонтированным Led-элементом подсветки и без него;
широкой цветовой гаммой;
ярким дизайном, привлекающим внимание даже самых маленьких пользователей;
легкостью, гибкостью, прочностью – эти параметры позволяю изделию оставаться целым после стремительного приземления и соприкосновения с твердой поверхностью;
дальностью полета – модель с подсветкой способна пролететь около 20-30 метров, а дальность полета планера без подсветки может достигнуть 40 метров;
склонностью к быстрому набору высоты и свободному планированию.

Конструкция и функциональность

Конструкция планера состоит из двух разборных элементов: фюзеляжа двух передних крыльев. Задняя пара крыльев и хвостовая деталь составляют с фюзеляжем одно целое.

На полет самолета-планера влияет два фактора: направление ветра и особенности запуска. После запуска изделия, его полет может происходить по нескольким траекториям:

прямолинейно – в безветренную погоду;
с отклонением от прямой траектории под влиянием ветра;
выполняя сложную форму пилотажа «Мертвая петля» (при этом конечной точкой полета изделия может стать место запуска).

Основы управления

Запускать планер рекомендуется на местности с открытым пространством. Запуск производится броском руки, в положении «стоя» или с «разбега». Дальность и длительность полета непосредственно зависит от силы броска и стартового угла подъема полета планера.

Обучающий момент

Самостоятельно осуществлять запуск в воздух самолета-планера могут взрослые и дети, старше трехлетнего возраста. Это позволяет маленькому ребенку, в момент запуска изделия, прочувствовать аэродинамические свойства летательного аппарата, понять принцип его полета, развить фантазию, пространственное и логическое мышление, мелкую моторику.

DIY-авиамоделирование. Технология термической резки пенопласта

Кто из вас уже строил модель самолёта своими руками? Попробую рассказать об этом увлекательном занятии в нескольких статьях и тем начну цикл о прикладном авиамоделировании.

В своей первой статье расскажу о давно известном (по крайней мере, я впервые прочитал о нём в 1994 году в одной из первых книг на техническую тематику, купленных вместе с матерью) способе обработки пенопласта. Несмотря на возраст, он может помочь кому-то с прототипированием объёмной детали.

Зачем это нужно?

Сам по себе пенопласт в авиамоделировании используется редко: слишком непрочен. Однако выполненные из него формы могут служить основой для изготовления детали из композитных материалов (простейший пример — папье-маше), простота обработки делает его крайне удобным для прототипирования, а малый удельный вес позволяет оставлять его внутри цельных деталей.

Небольшое скучное предисловие о качестве материалов и нетрадиционных решениях: меня судьба занесла на год учиться в Гонконгский университет науки и технологии (HKUST); взять из дома необходимые инструменты, естественно, я не догадался (да и везде не хватает разного), поэтому прошу прощения за решения в виде скруток из жилы от витой пары и тому подобных вещах. Например, у меня под рукой нет ни одной гайки.
Для меня, лингвиста по образованию и программиста в последние четыре года, авиамоделирование стало отдушиной в череде однообразных учебных дней.

Заготовка

В первую очередь, нам нужна заготовка из куска пенопласта соответствующих габаритов.
Я решил для демонстрации технологии взять тонкую пластину и вырезать что-нибудь плоское.
Вырезать будет намного удобнее, если между шаблоном и краем заготовки будет зазор; я выбрал 10 мм.

Отступ должен совпадать с обеих сторон, если мы хотим получить детать с прямыми углами. Для V-образных крыльев понадобится смещать одну плоскость относительно другой, но об этом позже.

В качестве шаблона для первого тестирования выбрана монета номиналом в два гонконгских доллара (2 HK$).

Шаблоны с двух сторон приклеиваются к заготовке.

Внимание: содержащие ацетон либо толуол клеи («Момент», например) растворяют полистирол, оставляя глубокие дыры в заготовке. В этом случае необходимо выждать около пяти минут до его практически полного высыхания перед склеиванием, иначе есть риск растворить заготовку!

Резак

В качестве резца используется горячий провод. Вспомнив совет из книги советского периода, пошёл в музыкальный магазин и приобрёл комплект струн. Для резки используется самая тонкая, первая.
Прикинув имеющийся источник питания, отмерил кусок струны сопротивлением 0.7 Ом. Длина вроде достаточная.

Качество сборки ужасное, но под рукой ничего больше не нашлось. Провода и то пришлось брать какие попало.

Для питания использую трансформатор от найденного на помойке в городе ресивера Denon лохматых (1970-х, судя по виду) годов.

Испытание

После небольшой подстройки длины струны удалось добиться одновременно небольшой ширины реза (всего в полтора раза больше толщины струны. Вспомнил программистское прошлое и хотел вырезать “Hello, Habr”, но не удалось. Оставил как есть.

80 мм) заготовка режется так же хорошо — судя по всему, температура подобрана оптимально для этого источника. Купленный здесь мультиметр имеет функцию измерения температуры, но увы, в нём неправильно собран измерительный мост: при повышении температуры его показания падают, хотя изначально он показывал около +28 градусов — в комнате сейчас немногим меньше. Исходя из разницы температур, предположу, что температура струны — 120-130 градусов.

Струна легко (примерно 3-4 см/сек) режет пенопласт, не оставляя крупных проплавленных отверстий, практически не жжёт картон.

Можно выделить две основные техники работы с этим резаком.
В первом случае неподвижно фиксируется заготовка, мастер обеими руками перемещает концы струны. Этот способ оптимален для фигур со сложным профилем.
Во втором случае натягивается струна, и мастер перемещает заготовку относительно неё. Этот способ удобнее для резки под строго определённым углом без шаблона.

В итоге получил многогранник по форме монетки:

В следующей статье постараюсь рассказать про изготовление объёмного профиля крыла с помощью этой технологии.
Если что-то оказалось непонятно — спрашивайте, постараюсь осветить.
До встречи!

Быстрее, выше, прочнее

Сочетая вещества с разными свойствами, можно получить новый, композиционный материал. Самый известный пример такого материала - железобетон. Это материал, состоящий из металлической арматуры и бетона, без которого невозможно было бы строить высокие здания. Армирующий наполнитель - металлические прутья - обладает более высоким модулем упругости, чем бетон, и повышает жесткость материала. Прочность железобетона в направлении армирования значительно выше, чем у простого бетона. Можно строить сравнительно легкие и высокие конструкции, которые не будут терять устойчивость и разрушаться под собственным весом или внешними нагрузками. По такому же принципу устроены и другие конструкционные композиты.

Конструкционные полимерные композиты

Все композиционные материалы состоят из матрицы и жесткого армирующего наполнителя. Как правило, армирующий наполнитель в полимерных композитах - углеродные или стеклянные волокна, а матрица - полимерный материал, как правило синтетическая смола. Чаще всего применяют термореактивные смолы. При нагревании они образуют трехмерную полимерную сетку, из-за чего матрица становится жесткой и химически устойчивой. Из этих материалов можно создавать легкие детали, по прочности превосходящие металлические.

Их применение актуально везде, где важны легкость и прочность, в первую очередь в авиации: от веса самолета напрямую зависит расход топлива. В автомобильной промышленности из углепластиков делают спорткары, болиды «Формулы-1», элитные модели легковых автомобилей и электромобили. Все, что двигается быстро, сейчас стараются делать из композитов.

В конструкции самолета из композиционных материалов можно изготовить фюзеляж, крылья, хвостовое оперение, мотогондолу, детали интерьера. Чаще для самолетов применяется более легкий углепластик, а стеклопластик - для ненагруженных деталей и носового обтекателя. Стеклопластик тяжелее, чем углепластик, и менее прочный, но он значительно дешевле. Носовой обтекатель самолета делают из стеклопластика, так как эта деталь должна пропускать радиоволны, а углеволокно проводит ток и создает помехи.

Нельзя заменить композиционными материалами детали двигателя, потому что полимеры не выдерживают температуры. Стойки шасси не делают из композитов, потому что на них высокая ударная нагрузка; металлическими остаются подвижные части, например некоторые элементы механизации крыла. Тормозные диски делают из композиционных материалов, но другого класса - углерод-углеродных композитов.

Разработка новых материалов

Композиционные материалы совершенствуются: прочность и легкость материала зависят от инжиниринга детали, вида наполнителя. Разработчики постоянно улучшают параметры углеродных волокон, меняют типы выкладок и совершенствуют технологии формования.

Чтобы производить термостойкие материалы, получают новые полимеры.

В технологии при создании новых полимерных матриц есть ограничение: нужно отталкиваться от исходных веществ, которые уже есть в тоннажном производстве и недорого стоят. Композитная отрасль в России достаточно маленькая, и запускать новое производство узкоспециализированных реагентов нерационально.

Теплостойкость материала определяется исключительно свойствами матрицы - все известные полимеры выдерживают существенно более низкие температуры, чем углеродное или стеклянное волокно. Стекловолокно плавится при температуре около 600 °C, а авиационные эпоксидные смолы - до 180 °C, максимальная описанная в научной литературе температура стеклования эпоксидных матриц - около 240 °C, но этого материала нет в массовом производстве.

Выдерживающие высокие температуры композиты нужны для деталей двигателей, выхлопных труб, для высокотемпературной электроизоляции, тепловых щитов космических кораблей, интерьеров подводных лодок - там, где очень сложно потушить пожар. В авиастроении снова рассматривают возможность возвращения к пассажирской сверхзвуковой авиации: скорости большие, важна экономия топлива и теплостойкость обшивки. Для всех этих применений нужны новые полимеры.

Одна из наших новых работ - группы ученых кафедры химической технологии МГУ имени М. В. Ломоносова - уже дошла до этапа опытно-промышленного производства - полимер, выдерживающий повышенные температуры. Одним из подходящих теплостойких связующих были достаточно давно известные фталонитрилы. Проблема в том, что чем выше теплостойкость конечного материала, тем более «капризные» для переработки базовые мономеры. Химической модификацией структуры фталонитрилов мы получили новый мономер и разработали фталонитрильное связующее, которое легко перерабатывается. Материал сохраняет свойства до 450 °C, но долговременно стабилен на воздухе при 350 °C, так как окисляется при более высоких температурах. Сами фталонитрилы мы не изобретали, но придумали, как производить их дешево, чтобы материал легко перерабатывался и не терял свойства.

Формирование деталей

Свойства композиционного материала определяют не только матрица и наполнитель, но и технология их получения. Благодаря волокну упрочнение идет только в одном направлении - вдоль волокна. Чтобы добиться хорошей прочности, композит выкладывают слоями, чередуя направление волокна - прочность уравнивается в длину и в ширину. Чтобы упрочнить материал в третьем направлении, слои могут быть вертикально прошиты дополнительными волокнами. Задавая направление волокон в материале, мы определяем его свойства. Каждая деталь индивидуальна, и у каждого типа изделия из композита своя выкладка - в зависимости от того, в каких направлениях она будет нагружаться. Как правильно выложить ленту волокна для конкретной детали, рассчитывают математики-прочнисты, исходя из свойств волокон и матрицы.

Как получить готовое изделие из композита? Изначально технология была похожа на изготовление папье-маше: брали волокно, промазывали кисточкой и клали следующий слой. Некоторые изделия производят таким способом до сих пор, но риск человеческой ошибки слишком высок. Сейчас процесс производства стремятся максимально автоматизировать.

Есть разные способы совместить матрицу и наполнитель. Самый распространенный в авиации - формование препрегов. Заранее пропитанную связующим и выложенную в несколько слоев ткань (препрег, от английского pre-impregnated) помещают в автоклав, куда подают высокое давление и высокую температуру. Полимерные связующие вязкие, и при выкладке между слоями образуются пустоты, которые нужно убрать под высоким давлением - пузырек газа просто схлопывается и растворяется в матрице. Детали, имеющие осевую симметрию, например фюзеляжи самолетов или мачты парусников или ветрогенераторов, получают намоткой пропитанного связующим волокна на вращающийся вал, после чего их также помещают в автоклав. Использование автоклавов для формования больших деталей могут позволить себе только крупные производители, и мировые тенденции направлены на отказ от автоклавных технологий и удешевление производства.

Альтернатива автоклавам - технология вакуумной инфузии. В специальный пакет выкладывают сухой материал, полимерное связующее за счет вакуума затягивается по трубкам и пропитывает ткань, и деталь отверждают при высоких температурах. Пакет для вакуумной инфузии можно сделать любого размера, и эта технология позволяет производить очень большие детали, которые нельзя сделать ни одним из других методов производства композитов. Вакуумной инфузией получают детали крыла российского самолета МС-21 длиной 25 метров, чего до этого не делал никто в мире.

Минусы композиционных материалов

Использование композитов позволяет сокращать количество частей в детали, тем самым ускоряя сборку самолета, и получать изделия сложной формы. В отличие от металлов, композиты не подвержены усталости. В то же время полимерные композиты имеют ряд недостатков: композиционные материалы пока что значительно дороже, чем металлы, и их использование окупается лишь при долгой эксплуатации.

Слабое место полимерных композитов - ударная прочность. После удара в детали из композиционного материала образуются микротрещины, которые при циклических нагрузках приводят к расслоению материала. Для того чтобы полимерные композиты лучше «держали удар», разрабатывают специальные составы связующих, в состав термореактивных матриц вводят термопласты или используют термопластичные матрицы. Если композитная деталь ломается, ее нужно полностью заменять новой. Есть технологии ремонта, но они не очень надежны, и в авиации ремонт применяют редко: после него деталь редко может пройти квалификацию. Чтобы следить за появлением трещин, необходима сложная диагностика. Например, в композит встраивают оптоволоконные датчики: в режиме онлайн можно своевременно определять целостность структуры материала.

Кроме того, углепластики, в отличие от металла, горят, и при этом выделяются ядовитые вещества, люди могут задохнуться дымом, поэтому в интерьерах используются пластики с низкой горючестью, в состав которых входят специальные добавки - антипирены.

Пенопласт

Пенопласт — хороший материал для изготовления авиамоделей. Состоит, в основном, из полипропилена и (пено)полистирола.

Все виды пенопластов в комбинации со стекло- или с углеволокнистыми корками позволяют получить очень прочные монококовые конструкции фюзеляжей, крыльев и других деталей.

Содержание

В России чаще всего встречаются модели самолётов сделанные из «потолочки» — так называют пенопластовые потолочные плиты 500х500мм и толщиной около 4мм. Такие плиты продаются пачками по 8 штук и стоят около 100 рублей за одну пачку.

На иностранных сайтах чаще материалом выступает «депрон». Депрон — это марка тепло- и звукоизоляционных плит, размером 1200х500мм и толщиной 3мм или 6мм.

Множество чертежей самолётов из пенопласта на тематических сайтах рассчитаны на использование депрона, но вместо него всегда можно использовать «потолочку». Депрон сложнее найти, и стоит он немного дороже потолочки, но более удобен — листы имеют больший формат.

Ещё существует различная подложка под ламинат из полистирола, тоже продаётся большими листами, но как правило с одной стороны рифлёная. Встречаются 3мм и 5мм толщиной.

Толстые листы пенопласта можно найти среди теплоизоляции для стен, к примеру пеноплекс. Выпускаются различной толщины (20мм, 30мм, 50мм) листами 1200х600мм. Из них удобно вырезать крылья струной.

Промышленностью выпускается различного вида пенопласт: полистироловые марок ПС-I и ПС-IV, полипропиленовые, пенополиофиленовые, полиуретановые ППУ, полиэтиленовые ППЭ, перхлорвиниловые ПХВ-1, ПХВЭ, поливинилхлоридные ПВХ и поролон.

Пенопласты представляют собой легкие, пористые, термонестойкие материалы в виде листов или плит. Их получают путем прессования из композиций на основе термопластических полимеров. Температура их применения находится в пределах до 70° С. Есть много термореактивных видов, которые получают путем вспенивания при нагревании порошка или полуфабрикатов гранул. Объемная масса пенопласта зависит от количества твердого вещества, приходящегося на единицу массы: чем больше пор, тем меньше объемная масса пенопласта.

Полистирол хорошо растворяется в органических растворителях, поливинилхлорид в них не растворяется. Это свойство надо иметь всегда в виду при выборе красителей, клеев, а также места применения пенопласта.

Полистироловый пенопласт растворяется нитро- и синтетическими эмалями, метиловым спиртом, эфиром и другими, подобными этим, химическими жидкостями. Поливинилхлоридный пенопласт ими не растворяется.

Эти материалы широко применяются в конструкциях моделей.

Пластины-листы получают путём быстрого, с нажимом, протаскивания взад-вперед сквозь толщу заготовки стальной проволоки диаметром 0,3-1,0 мм. Работу производят вдвоем и на приспособлении. От трения в пенопласте проволока сильно нагревается, размягчает пенопласт в зоне прорези и проходит сквозь него.

Данные замера плотности пенопласта различных видов.

Серый Depron (Ebisol), 6мм: 23 кг/м3
Серый Depron (Ebisol), 3мм: 34 кг/м3
Потолочка, 4мм: 26 кг/м3
Подложка Solid голубая, 5мм: 34 кг/м3
Подложка Solid серая, 3мм: 35,7 кг/м3

Существует несколько способов изгибания листов пенопласта:

Промять с внутренней стороны полоски (вилкой, компакт диском, гребешком, . ). Можно загибать проводя с нажимом о край стола.
С внешней стороны наклеить скотч, что бы пенопласт не лопнул.
Можно аккуратно нагреть феном

Резка струной - способ, часто применяемый для обработки пенопласта. На нихромовую нить, в крайнем случае стальную, подаётся напряжение, разогревающее её до температуры, при которой плавится пенопласт. Используя шаблоны, можно вырезать консоли крыла самолёта и прочие элементы. Часто применяется для изготовления летающих крыльев.

Вертикальное резание производят струной из нихрома, стали или другого термостойкого прочного материала, нагреваемой электрическим током. Силу тока подбирают с таким расчетом, чтобы при соприкосновении с проволокой пенопласт плавился, но не горел. Обычно это 500-600° С, то есть темно-красное каление стали.

Для получения внутренних полостей, в частности, с целью облегчения детали ее после разметки прокалывают на всю длину, в отверстие заводят струну, а затем, подключив ток, режут.

На приспособлении или лучковой распоркой из одного куска пенопласта можно делать профилированные крылья и иные детали, даже с полостями и отверстиями для облегчения практически любой формы по всей длине. Для этого, удерживая заготовку двумя руками, струну направляют по металлическим шаблонам, закрепленным на торцах.

Поверхности двойной кривизны можно продуктивно обрабатывать и без шаблонов нагретой струной, натянутой с помощью приспособления типа лучковой пилы. При нагреве током проволока-струна удлиняется, поэтому во всех приспособлениях необходимо поддерживать постоянное натяжение пружиной либо грузом.

Сверхлегкие полистироловые пенопласты употребляют для упаковок электронной техники, иных приборов и аппаратов. Применение их очень заманчиво. Способы их обработки аналогичны с пенопластами ПС-I и ПС-IV. Эти пенопласты употребляют при изготовлении моделей для закрытых помещений, а также для заполнения объемов с целью поддержания формы.

Приказано взлететь

В 2010 году компания Bayer MaterialScience (сейчас она выступает под новым брендом Covestro AG) стала официальным партнером проекта Solar Impulse по разработке самолета с электродвигателями, питающимися от солнечной энергии. 24 апреля этого года "солнцелет" Solar Impulse 2 под управлением швейцарца Бертрана Пикара приземлился в США после трехдневного полета над Тихим океаном, и это стало знаковым историческим событием.

При строительстве и проектировании воздушных судов последнего поколения используется все больше композитных материалов. Это неудивительно: глобальный пассажиропоток растет, цены на авиабилеты снижаются, авиакомпании стараются сократить эксплуатационные расходы, в том числе и за счет снижения массы воздушных судов. Специалисты оценивают текущую емкость рынка полимеров в авиастроении в 8,17 миллиарда долларов США.

Еще в 1950-е годы прошлого века конструкторы попытались применить стеклопластик для обшивки передней части авиационных двигателей. Они в среднем нагреваются от 100 до 300 °С. Впоследствии армированные пластики использовались в проектах по созданию баллистических ракет "Поларис" и "Минитмен", а позднее - при изготовлении корпусов самолетов "Боинг-747", созданных на основе стеклоровницы, пропитанной полиимидом.

"Основной недостаток стеклопластиков, заключающийся в их низкой удельной жесткости, был преодолен в более новых композитах - углеродопластиках и боропластиках, из которых начали изготавливать различные элементы самолетов сначала в Америке, а потом и в Европе. Ключевое преимущество этих двух композитов - легкость, позволяющая снизить массу различных типов авиационной техники в среднем от 21 до 35 процентов", - говорит Роман Голов, профессор, доктор экономических наук, директор Института менеджмента, экономики и социальных технологий Московского авиационного института (Национальный исследовательский университет).

Кстати, применение таких полимеров, как герметики, позволило самолетам подняться на высоту 10 километров и выше.

Акцент: За последнее десятилетие аэрокосмическая промышленность увеличила спрос на полимеры более чем в 5 раз

Лакокрасочные материалы играют особую роль в авиастроении: защита от атмосферных воздействий и агрессивных сред, морозостойкость, гашение вибрации, терморегуляция и другие. Например, краска на основе пластифицированных полиуретанов дает обшивке самолета морозостойкость от минус 40 до минус 60 °С, полиакриловый лак - вообще до минус 100 °С.

"Наиболее активно полимеры сегодня применяются при создании летательных аппаратов для малой авиации. Легкие, двух-, четырехместные самолеты или вертолеты, здесь доля композиционных материалов может достигать 80 процентов от массы летательного аппарата. Это обусловлено, во-первых, стоимостью изготовления такого летательного аппарата, во-вторых, его летными качествами. Пример - самолеты австрийской фирмы "Даймонд", немецкие Extra, Extrime. Почти все мировые производители летательных аппаратов такого типа перешли на применение ПКМ, причем уже давно. В "большой" авиации, как гражданской, так и военной, процент применения полимеров пока гораздо ниже", - говорит Камиль Нурдавлетов, руководитель проекта по созданию в России производства спортивно-пилотажных самолетов.

Крупные производители переходят на использование ПКМ в своих изделиях. Первопроходцы уже есть, это Dreamliner и Airbus А380. Они уже доказали, что полимеры - это выгодно. Более того, они создали технологический задел для выпуска новых самолетов с еще большей долей композитов. Отечественный МС-21 также будет композитным как минимум на 40 процентов, обещают в ОАК.

"В авиастроении доля полимеров в 2005 году составляла около 15 процентов общей массы самолета, сейчас - около 20. К 2020 году предполагается увеличить долю полимерных комплектующих до 25 процентов. В целом менее чем за десятилетие аэрокосмическая промышленность увеличила спрос на полимеры более чем в 5 раз", - говорит Армен Даниелян, партнер, директор по стратегическому развитию АКГ "ДЕЛОВОЙ ПРОФИЛЬ" (GGI).

Полимеры характеризуются легкостью, разнообразием состава и широким диапазоном технических свойств, что позволяет широко использовать их в авиастроении. Детали, изготовленные на основе полимерных материалов, в среднем на треть легче металлических аналогов при одинаковой прочности.

Стоимость полимерного сырья пока выше, чем металлических аналогов. Это обусловлено сложной технологией производства полимеров. Однако экономия затрат на обработку, сборку, а также снижение расходов на транспортировку позволяют существенно снизить цены на готовые компоненты, что делает применение полимеров в авиастроении экономически эффективным. Например, при выработке деталей самолета из алюминиевого или другого металлического сырья в отходы и в обратную переработку уходит до 90 процентов материала, в то время как изготовление полимерной детали, сопоставимой по характеристикам, не оставляет отходов и позволяет получить деталь в заданных параметрах.

"У металлов есть понятие "старение", есть усталостная прочность, у углепластика, при должном изготовлении этого быть не должно. На практике это выглядит следующим образом: у металлического самолета ресурс по "крылу" может быть от 10 до 25 лет. Потом на таком самолете летать уже опасно, и его продают в "третьи страны". У композитного крыла ресурс закладывается от 50 лет. Применение углепластиков пока не самое дешевое удовольствие. Но благодаря падению цены и развитию технологий оно уже стало экономически выгодным. Хотя еще пятнадцать лет назад это было не так. Вопрос по стоимости достаточно сложный. Композиты стоят, как правило, дороже металлов. Но это очень сильно зависит от того, что делать, из чего, по какой технологии и где", - говорит Камиль Нурдавлетов.

По мнению Романа Голова, сейчас мы переживаем полимерный ренессанс, совершающийся усилиями крупных авиакомпаний. Благодаря им композитные материалы стали неотъемлемыми элементами общей инновационной экосистемы авиастроения.

Достаточно ярким примером использования инновационных полимерных материалов является наиболее амбициозный проект российского авиастроения последних десятилетий - самолет "Сухой Суперджет 100". В составе использованных при его создании материалов доля композитов занимает порядка 10-12 процентов. В частности, из композиционных материалов были созданы его агрегаты механизации крыла и оперения, элероны, обтекатель стыка крыла с фюзеляжем, тормозные щитки, рули, интерцепторы, носовой радиопрозрачный конус. Важным фактором при этом является курс на увеличение доли прогрессивных полимерных материалов в конструкции его последующих модификаций, для чего уже сейчас научным коллективом "Объединенной авиастроительной корпорации" ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Конструкционный пеноплас Mel Composites

Компания MEL Composites работает в сфере композитов, начиная с 1994 года, и предлагает лучшие решения в выборе конструкционного ПВХ пенопласта. Среди немногих производителей основных конструкционных ПВХ пенопластов, MEL Composites представляет различные поверхности отделки: гладкие листы, контурные , перфорированные, рифленые .

Широкий ассортимент пенопласта Aircell был разработан с учетом современных требований и при участии ведущих технических специалистов в области композитных материалов для разрешения сложных задач с использованием самых подходящих материалов.

Вся продукция, имеет необходимые европейские сертификаты соответствия, международную сертификацию GL и отличается привлекательной стоимостью при высоком качестве производства.

ПВХ пенопласт «Aircell»:

используется в качестве основного материала, совместимого с различными армирующими волокнами композитных материалов, например, углеродное волокно, стекловолокно, природное волокно с любым связующим (эпоксидной смолой, ненасыщенными полиэфирными и фенольными смолами).
для получения сэндвич-структуры - материал может быть адаптирован для различных композиционных методов обработки, в том числе инфузия, напыление, ручной метод обработки, вакуумирование , автоклавное формование
ПВХ пенопласт используется в различных отраслях промышленности, судостроении, ветроэнергетике (лопасти) , вагоностроении, авиастроении, производстве спортинвентаря и емкостей.

Основные преимущества использования ПВХ пенопласта «Aircell»:

снижения веса структуры
повышения жесткости и обеспечение хорошими изоляционными свойствами

Компания «Aircell» обладает профессиональным составом инженеров и имеет лабораторию для производства и проверки качества конечного продукта, лаборатория оснащена современным оборудованием. Завод сертифицирован по международной системе ISO 9001.

Как выбрать ПВХ — пенопласт

При выборе отделки поверхности пенопласта, мы должны рассмотреть вопрос о технологии обработки. Различные поверхности отделки пенопласта могут быть объединены, например, рифленая и перфорированная отделка поверхности может быть применена на сдвоенных листах, контурные листы для использования на изогнутой поверхности.

По данным различных методов обработки и различных поверхностей, в целях оптимизации проникновения связующих, мы предоставили следующие поверхности отделки.

Поверхность	Рисунок	Комментарии
ЦЕЛЬНАЯ ФОРМА (Р)	Стандартные листы ПВХ пенопласта, без дополнительной обработки поверхности.
ПЕРФОРИРОВАННАЯ ФОРМА	Имеет дополнительную обработку, перфорацию по поверхности. Отверстия имеют около 2 мм диаметра, диаметр отверстия при необходимости может быть скорректирован в зависимости от плотности и толщины пенопласта.
РИФЛЕННАЯ ФОРМА	Рифленый лист используется при обработке изделий в инфузионном процессе, пазы используется в качестве каналов смолы. Пазы могут быть как в горизонтальном, вертикальном направлении или в двух направлениях одновременно.
РИФЛЕННАЯ И ПЕРФОРИРОВАННАЯ ФОРМА	Поверхность обработана пазами и перфорацией, диаметр ячейки перфорации 2 мм, различное направление пазов, расстояние между пазами 20 мм.
ДВОЙНАЯ РИФЛЕННАЯ ФОРМА	Лист разрезается ан 55-60% от собственной толщины. Листы используется на контурных поверхностях, проникновения связующего по сравнению с контурными листами хуже.
КОНТУРНАЯ ФОРМА	Пенопласт разрезается на мелкие куски и приклеивается с внутренней стороны на маскировочную стеклоленту. Основное использование на контурных плоскостях.

Использование ПВХ пенопласта «Aircell» P при различных процессах обработки:

Поверхность	Ручное ламинирование	прессование	Инфузия
Цельная форма (Р)	+	+	+
Перфорированная форма	+	+
Рифленная форма	+	—	+
Рифленная и перфорированная форма	+	+	+
Двойная рифленая форма	—	—	+
Контурная форма	—	—	+

Преимущества ПВХ пенопласт:

Пенопласт «Aircell» может быть использован в качестве основного материала в сэндвич-структуре
Пенопласт «Aircell» серии «цельная форма» обладает высоким удельным модулем упругости
Пенопласт «Aircell » имеет выдающиеся свойства стойкости к усталости, низкое водопоглощение
Пенопласт «Aircell »обладает высокими изоляционными свойствами
Пенопласт «Aircell» P совместим с различными смолами
Пенопласт «Aircell» обладает высокой пожаростойкостью

ПВХ пенопласт «Aircell - идеальный материал при использовании в качестве основного материала в сэндвич- структурах, обладает высокой прочностью композиционного материала сердечника. Обработку можно производить в диапазоне температур от -240 ºC до +100 ºC, высокие эксплуатационные температуры, в диапазоне от -240 ºC до +80 ºC.

Технические характеристики – Aircell HR

Свойство	Метод	Ед-ца	HR40	HR45	HR60	HR80	HTR80	HTR100	HTR130	HTR200
Номинальная плотность	ISO 845	кг/м 3	40	48	60	80	80	100	130	200
Прочность на сжатие	ISO 844	Н/мм 2	0,45	0,6	0,9	1,3	1,3	1,9	2,6	4,8
Модуль сжатия	DIN 3421	Н/мм 2	37	48	69	97	97	125	160	260
Прочность при растяжении	DIN 3571	Н/мм 2	0,7	1,10	1,30	2,00	2,00	2,70	3,80	6,20
Модуль предела прочности при растяжении	DIN 3457	Н/мм 2	28	35	45	66	66	84	11	180
Предел прочности при сдвиге	ISO 1922	Н/мм 2	0,45	0,55	0,80	1,20	1,20	1,60	2,30	3,50
Модуль предела прочности при сдвиге	ASTM 393	Н/мм 2	13	15	22	30	30	38	50	75
Деформация сдвига	ISO1922	%	8	10	16	23	23	27	30	30
Теплопроводность	ISO 8301	В/м.к	0,031	0,031	0,031	0,033	0,033	0,035	0,039	0,048
Влагопоглощение	ASTM 272	кг/м 2	0,09	0,09	0,07	0,06	0,06	0,04	0,03	0,02
Стойкость к тепловому изгибу	DIN53424	0 С	80	80	85	85	100	90	95	100

Информация по обработке листов

Код	Описание
-	Плоские листы
PN	3 мм отверстия
GS	3030 мм или 4040 мм квадратики со стеклосеткой на одной стороне
DC	3030 мм или 4040 мм квадратики, глубина насечки на 2/3 от толщины с обеих сторон
GS + INF	20*20 мм квадратики с тонким каналом (0,5 мм), со стеклосеткой на одной стороне
DC + INF	20*20 мм квадратики с тонким каналом (0,5 мм), глубина насечки на 2/3 от толщины, с обеих сторон
GPC2	20*20 мм квадратики и насечки с обоих сторон

Кораблестроение

Пенопласт Aircell активно применяется в морской отрасли - это спортивные лодки, парусные, моторные, лодки для отдыха, гоночные яхты, военные и патрульные судна.

Материалы Aircell HR используются в производстве боковых и внутренних структур корпуса. При использовании перфорированных листов , применяется технология вакуумной инфузии. В результате данного процесса получается минимальный вес и максимальная скорость.

Для патрульного судна пенопласт Aircell HR используется в разработке палубы и структур. Совместно с арамидными тканями обеспечивает дополнительную баллистическую защиту. Технология вакуумной инфузии используется для снижения веса и обеспечения скорости лодки свыше 50 узлов.

Ветроэнергетика

Пенопласт Aircell используется для создания обтекаемых форм и лопастей в области ветровой энергетики; в процессах вакуумного формования (ламинировании), вакуумной инфузии и производстве препрегов. Использование готового комплекта из пенопласта уменьшает время производства и минимизирует затраты на производство изделий.

Другое промышленное применение

Пенопласт Aircell используется в индустрии композитного производства, как прочный срединный материал для создания легкой надежной сэндвич -конструкции.

Пенопласт Aircell используется в производстве различных композитных структур в архитектуре: фасады,крыши и многое другое. Одним из основных плюсов данного материала является минимальный уход и предоставление высокой тепловой изоляции.

Композиты для отечественного авиастроения. Успехи, планы, проблемы

Наряду с металлами в конструкции современных самолетов активно используются композиционные материалы. Разного рода композиты позволяют сократить массу конструкции при сохранении прочих характеристик или обеспечить иные преимущества перед конструкциями из других материалов. В сфере композитов в нашей стране уже достигнуты определенные успехи, но развитие отрасли следует продолжать.

Сферы применения

Ввиду характерных особенностей и некоторых преимуществ перед другими материалами композиты могут широко использоваться в авиастроении. Прежде всего, они интересны в контексте создания и строительства планеров летательных аппаратов. При этом не исключается возможность внедрения композитов в другие сферы, где пока используются только металлы и сплавы.

Композитные детали используются едва ли не на всех современных боевых самолетах отечественного производства. Так, планер многоцелевого истребителя Су-35С выполняется из легких сплавов и композитов, хотя доля последних невелика в сравнении с другими образцами техники.

Более широко композиты на основе углепластика и других материалов применяются в проекте истребителя пятого поколения Су-57. На композитные детали приходится четверть сухой массы такого самолета. Прежде всего, они используются в обшивке. Так, 70% внешней площади истребителя выполнено из композитов. Специфика технологий изготовления композитов позволила упростить конструкцию планера и уменьшить число необходимых деталей.

Новые материалы широко используются в беспилотной авиации. Если легкие БПЛА обходятся пластиковыми корпусами, то на более тяжелых активно используются композитные агрегаты сложных форм и конфигураций. К примеру, планер нового БПЛА «Орион» изготавливается преимущественно из композитов, тогда как доля других материалов сокращена до необходимого минимума. Схожие подходы использовались при разработке других современных БПЛА среднего и тяжелого классов.

Композиты внедряются и в гражданской авиации. Наибольшие успехи в этом направлении достигнуты при разработке среднемагистрального лайнера МС-21. В нем на углепластиковые композиционные материалы приходится 35% сухой массы. На данный момент это является рекордом для отечественных самолетов. Такие результаты были получены, в первую очередь, за счет создания особого крыла, почти полностью выполненного из композитов. Следует отметить, что такое крыло отличается сложностью разработки и производства, из-за чего применяется лишь в нескольких проектах в мире. Таким образом, с точки зрения технологий МС-21 оказывается одним из самых прогрессивных современных самолетов.

Недавно стало известно о возможном проведении исследовательских и конструкторских работ в интересах двигателестроения. НПО «Сатурн» проявляет интерес к теме композитных лопаток для турбореактивных двигателей. Подобные детали могут быть внедрены в проектах ПД-14 и ПД-35. Их появление позволит сократить собственную массу двигателя и обеспечит рост некоторых характеристик.

Отечественное производство

На данный момент в разных проектах отечественной авиационной техники применяются композиты и сырье разного происхождения. Часть такой продукции производится российскими предприятиями, тогда как прочую приходится приобретать у зарубежных поставщиков. При этом осуществляется развитие отечественного производства, направленное на решение актуальных производственных задач и сокращение зависимости от импорта.

Одним из ведущих предприятий отрасли является компания «Аэрокомпозит», входящая в состав Объединенной авиастроительной корпорации. Ее производственные мощности развернуты на базе Казанского авиационного завода и ульяновского «Авиастар-СП». Компания создавалась с целью объединения наработок по композитам в рамках ОАК. Ее задачей является разработка и производство необходимых изделий, технологических циклов и т.д. в интересах различных проектов в авиационной сфере.

Ранее «Аэрокомпозит» разработала особое крыло для лайнера МС-21, а затем занялась его производством. Сообщается о проведении исследовательских и конструкторских работ в интересах других проектов. К примеру, запланирована глубокая модернизация самолета SSJ-100, в ходе которой внедрят новое композитное крыло.

Также в нашей стране осуществляют деятельность несколько других организаций и компаний, разрабатывающих и производящих композитные детали и материалы для их изготовления. Кроме того, принимаются меры, направленные не только на разработку и производство композитов, но и на подготовку кадров.

Буквально на днях при Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ) при содействии «Росатома» открыли специализированный центр компетенцией «Технологии композитов». Задачей СТЦ станет подготовка специалистов для авиастроительных КБ и заводов. Они будут изучать особенности композитов, сферы их применения и т.д. Также им предстоит осваивать технологии производства, обработки и т.д.

На открытии СТЦ «Технологии композитов» звучали весьма интересные заявления о проблемах отечественной отрасли. Так, утверждалось, что наши предприятия способны выпускать нужные материалы, но их внедрение сталкивается с характерными проблемами. Проектировщики, которые могли бы использовать композиты, попросту не умеют с ними работать. Именно для избавления от таких проблем открывается новый СТЦ.

Новые вызовы

Внедрение и использование композиционных материалов дает известные преимущества, но прямо связано с массой сложных задач. Освоение производства композитов само по себе отличается достаточной сложностью и предъявляет особые требования к предприятиям. Применение новых материалов в конструировании, в свою очередь, требует новых подходов и перестройки некоторых процессов.

Однако итоги и результаты таких процессов полностью оправдывают все затраты. Техника с применением композитов отличается повышенными техническими и экономическими показателями, а потому представляет больший интерес для современного заказчика. Соответственно, подобные самолеты получают конкурентное преимущество на рынке и могут претендовать на получение контрактов.

Впрочем, на данный момент российская промышленность не может претендовать на ведущее положение в мире. В ходе открытия СТЦ «Технологии композитов» назвали текущее положение дел: на Россию приходится менее процента мирового рынка композиционных материалов. За счет деятельности Центра и профильных предприятий к 2025 г. ее планируется довести до 2%. Однако и после этого отечественные достижения будут выглядеть скромно на фоне зарубежных конкурентов.

Поводы для оптимизма

Тем не менее, работы в перспективном направлении продолжаются. Разрабатываются и внедряются новые виды композитов. Создаются новые образцы авиационной техники с широким применением таких материалов – в том числе и соответствующие передовым мировым идеям. Принимаются меры, направленные на развитие отрасли, подготовку специалистов и т.д.

Авиационная техника, построенная с применением композитов, уже производится серийно; также готовится выпуск новых образцов. Многое еще только предстоит сделать, и все это связано с различными трудностями. Однако работы продолжаются и дают повод для оптимизма. Композиционные материалы прочно вошли в практику, и теперь делается все для развития этого направления, прямо влияющего на успехи других отраслей.

Читайте также: