Из какого металла делают корпус самолета
Доктор технических наук Э. КОНДРАШОВ, заместитель генерального директора ВИАМа.
В 1930-х годах металлическими узлами самолета были только мотор и шасси. Неудивительно поэтому, что в 1932 году по указу наркома тяжелой промышленности во вновь образованный Всесоюзный институт авиационных материалов из ЦАГИ перебралась лаборатория авиалеса, а из ЦИАМа - лаборатория резин. Из них и образовалось подразделение неметаллических авиационных материалов.
Фюзеляж легендарного истребителя Ла-5 изготавливали из дельта-древесины - специальной фанеры из древесного шпона и бакелитовой смолы.
На крыше одного из корпусов института сейчас находится площадка климатических испытаний. Именно здесь в декабре 1941 года испытывали нитролак, которым должны были покрывать обшивки истребителей.
В новых обтекателях из радиопрозрачного стеклопластика размещаются радары - "глаза" боевого самолета. На снимке: Су-34 - один из самых современных боевых самолетов.
В безэховых камерах измеряют уровень электромагнитного излучения от самых разных источников. В этой камере, расположенной на АвтоВАЗе, измеряют электромагнитный фон, создаваемый легковыми автомобилями.
Соты склеивают из листов специальной полимерной бумаги, а затем растягивают и получают легкую и жесткую конструкцию.
Лопасти вертолетного винта имеют сложную конструкцию, большинство элементов которой держится на клее.
Одним из главных достижений института в тот период было создание дельта-древесины, или, как ее еще называли, авиационной фанеры - легкого и прочного материала. Ее изготавливали из древесного шпона и бакелитовой смолы. Дельта-древесина не впитывала влагу и поэтому не увеличивала массу во влажной атмосфере, а высокие прочностные характеристики позволяли использовать ее для корпусов самолетов. В годы Великой Отечественной войны из дельта-древесины строили истребители, в частности легендарный Ла-5.
В 1937 году, когда построили "четвертый корпус", основной корпус ВИАМа, в нем была организована лаборатория лакокрасочных материалов, еще чуть позже - лаборатория остекления.
Вспоминается один из эпизодов войны, в котором специалисты института сыграли важную роль. Во время битвы под Москвой, перед самым нашим наступлением, командующий фронтом сообщил Сталину, что оно под угрозой срыва. На самолетах начала трескаться тканевая обшивка, покрытая нитроцеллюлозным авиалаком, и они не могли летать. Для выяснения причин в институт приехал первый заместитель наркома авиационной промышленности П. В. Дементьев. Он поднялся на крышу четвертого корпуса, где находилась площадка атмосферных испытаний. Ему показали находившиеся там образцы, и он убедился, что образцы все целы, никаких трещин нет.
Стали разбираться, и выяснилось, что на Челябинском заводе нарушили технологию изготовления лака. Винить в этом заводчан трудно. С них в первую очередь требовали план. Чтобы его выполнить, директор ради ускорения процесса пошел на риск, чуть-чуть изменив рецептуру. И промахнулся. Не знаю, чем там дело кончилось, но обшивки, покрытые лаком, изготовленным по нашей технологии, больше не рвались.
Сталинскую премию получил и М. М. Гудимов за создание для кабин боевых самолетов остекления мозаичной структуры. Сделать монолитное остекление сложной криволинейной формы из триплекса не удавалось, поэтому брали плоские фрагменты, закрепляли их в металлическом каркасе, и получался прочный фонарь. При попадании пули или осколка снаряда разрушался только один фрагмент и обзор снижался ненамного.
Активно шла разработка стеклопластиков - радиопрозрачных и прочных материалов, из которых делали носовые обтекатели самолетов. В них размещали радары для обзора местности и выявления целей.
Под руководством академика К. А. Андрианова были созданы термостойкие кремнийорганические лакокрасочные покрытия, выдерживавшие температуры до 500°С. Ими окрашивали стальные кожухи камер сгорания для защиты от коррозии.
Переходя к сегодняшнему дню, надо сказать, что выпускается огромная номенклатура неметаллических авиационных материалов. Их делят на два класса - конструкционные и функциональные. К конструкционным кроме упомянутых стеклопластикив относятся органопластики и самый, пожалуй, перспективный материал - легкие и прочные углепластики. Уже сейчас планер самолета на 60% состоит из углепласти ков. Из них делают фюзеляж, крылья, хвостовое оперение.
К слову сказать, Советский Союз был в тройке мировых лидеров по производству углеродного волокна для углепластиков. Но в годы неразберихи кто-то умудрился продать и вывезти в Венгрию стоявшую в Саратове линию с годовой производительностью 1000 т волокна. Сейчас мы предпринимаем огромные усилия, чтобы восстановить производство и обеспечить авиастроителей углепластиками для пассажирских самолетов для местных линий.
Органопластики нашли применение в вертолетостроении. Они легче углепластиков, обладают большей ударной прочностью, поэтому обшивки вертолетов можно сделать очень тонкими.
Широкие возможности применения в перспективных авиационных двигателях и гиперзвуковых летательных аппаратах найдут конструкционные материалы на основе керамики. В институте разработан уникальный керамический композит, обладающий высоким комплексом физико-механических свойств в сочетании с высокой температурой эксплуатации (выше 1500 о С), который выдерживает не свойственное традиционной керамике резкие перепады температур.
Если взглянуть на самолет, то функциональных авиационных материалов можно сразу и не увидеть, но без них он летать не может. По номенклатуре функциональных материалов, кстати, в самолете намного больше, чем конструкционных. Это различные по термостойкости типы герметиков: полисульфидные, фторсилаксановые, кремнийорганические. Это органические стекла различных марок, резины, клеи, лакокрасочные материалы, материалы для интерьера.
Причиной, заставляющей нас взяться за разработку того или иного материала, к сожалению, довольно часто становятся трагические события. Так получилось и с интерьерами салонов пассажирских самолетов. Мы начали активно заниматься этими материалами после катастрофы самолета Ил-18 под Магнитогорском в 1972 году. Тогда загорелся багажный отсек и фанерный пол, и пассажиры погибли из-за отравления продуктами горения. Аналогичный случай произошел и при пожаре самолета во Внукове, где погибли все пассажиры, отравившись синильной кислотой, выделившейся при горении обычного пенополиуретана при недостатке кислорода.
С середины 1970-х годов в ВИАМе разработаны десятки марок негорючих тканей, ковровых покрытий, термопластов. Мы создали панели специальной сотовой конструкции для интерьера. По конструкции они напоминают разворачивающиеся елочные игрушки из папиросной бумаги. А делают их так. Берут лист бумаги, наносят параллельные полоски клея и кладут следующий лист. На него тоже наносят клеевые полоски, но со сдвигом. И так далее. Когда стопку склеенных листов растягивают как гармошку, можно получить объемные фигурки самой разной формы или объемные блоки.
Правда, для панелей мы использовали не обычную бумагу, а полимерную, на основе фенилоновых волокон. На ощупь такая бумага напоминает пергамент, но она не горит. Соты пропитывают связующим материалом, и получается жесткий блок, которому можно придать любую нужную форму. Впервые такие панели с приклеенными обшивками из негорючего стеклопластика применили на аэробусе Ил-86, а сейчас они заменили алюмопласт и фанеру практически на всех наших самолетах: из них делают багажные полки, пол салона и т. д.
Все изделия мы испытываем на соответствие требованиям Международной организации гражданской авиации (ИКАО) по горючести и дымовыделению. В последнее время появились новые ограничения по тепловыделению при воздействии пламени. Установленная норма предельного выделения тепла - 65 кВт/м 2 в течение 2 минут.
Специальные неметаллические материалы сейчас используют для уплотнения люков, иллюминаторов. Эти материалы из класса эластомеров не горючие, не выделяют дыма. В качестве защиты от обледенения применяют специальные проводящие покрытия, которые нагреваются при пропускании тока и не дают образоваться ледяной корке.
Сейчас предъявляются очень жесткие требования к шуму как в салоне, так и вокруг самолета. Приходится создавать новые звуко- и вибропоглощающие материалы, работающие в диапазоне 500-11 000 Гц. Панели из таких материалов ставят в стены салона, в кожухи двигателей. Задача эта очень сложная, поскольку эффективность звукопоглощения тем выше, чем больше масса звукоизоляции, а в авиации борьба за снижение массы ведется с момента создания первого самолета. Есть сведения, что зарубежные авиастроительные компании готовы платить конструкторам до миллиона долларов за снижение на 1 дБ шума в салоне.
В авиастроении, может быть, как нигде, широко применяют клей. Например, лопасти вертолета - целиком клеёные конструкции. Внутри находится сотовая конструкция, к которой приклеена обшивка.
Отдельно стоит упомянуть лопасти винто-вентиляторных двигателей. Попытки изготавливать лопасти из алюминиевых сплавов не дали положительного результата, поскольку подшипники не выдерживали нагрузки на ось. Но винто-вентиляторные двигатели очень экономичны, и отказываться от них нецелесообразно. Чтобы уменьшить массу лопасти, на головном предприятии по изготовлению винто-вентилятор ных двигателей, на ступинском НПП "Аэросила", разработали очень сложную конструкцию, в которой используются наши стекло-, угле-, органопластики. В сечении лопасти можно увидеть и короба и желоба. Облегченные винты ставят на самолеты Ил-114, Ан-72.
Наконец, еще об одной категории неметаллических материалов, которые хорошо поглощают радиоизлучения. Такие материалы известны по технологии "стеллс", применяемой для строительства самолетов-невидимок. Но они нужны и для других целей. На самолете очень много радиоэлектронной аппаратуры, работающей в различных диапазонах частот, и, конечно, разные устройства влияют друг на друга, внося помехи. Радиопоглощающие материалы помогают устранить это вредное явление и согласовать работу аппаратуры.
Сфера применения радиопоглощающих материалов не ограничивается только авиацией. Мы разработали материалы, из которых изготавливают так называемые безэховые камеры. В них проверяют радиоаппаратуру на уровень излучения, когда требуется избежать отражения волн. В безэховых камерах с недавнего времени проверяют излучение автомобильной электроники. Это связано с тем, что машин появилось слишком много и их системы зажигания и другие электроприборы в сумме оказывают серьезное влияние на окружающую среду, хотя, казалось бы, металлический капот должен надежно экранировать излучение.
В последнее время очень интересным направлением нашей работы стала наномодификация неметаллических материалов, то есть внесение в них примесей, частицы которых по размерам сопоставимы с молекулами. Добавляя в уже известные вещества модификаторы типа фуллеренов, можно получить материалы с совершенно иными свойствами, например обеспечивающими молниезащиту углепластиков. Не меняя технологического процесса, с помощью наномодификаторов удается на 20-30% повысить физико-механические характеристики неметаллических материалов.
Используя наномодификацию полиамидных термопластов наносиликатами на основе природного сырья, мы рассчитывали повысить прочность изделий, а оказалось, что кроме этого снижается и их горючесть. Такая удача позволила отказаться от дорогих антипиренов. Так что в нашей работе подобные счастливые случайности, как говорится, имеют место быть.
Мы не замыкаемся только на своих исследованиях. Многие работы ведем совместно с академически ми и отраслевыми научно-исследовательскими институтами. Причем используем различные формы сотрудничества: договоры, кооперацию, совместные проекты, совместное выполнение государственных контрактов.
ВИАМ готов работать с любыми организациями, если это взаимовыгодно. Правда, иногда приходится сталкиваться с несанкционированным использованием наших достижений. Когда около десяти лет назад институт переживал тяжелые времена, многие сотрудники уходили и, к сожалению, уносили с собой секреты технологий. И вот сейчас в продукции той или иной коммерческой фирмы мы узнаем наши разработки, хотя институт на использование своих ноу-хау разрешения не давал. Доказать авторство не всегда просто, но мы будем стараться защитить наши права.
Из какого материала делают самолеты
Конструкционные материалы, из которых изготавливают самолеты, прошли стремительную эволюцию вместе с развитием самой авиации. От полотняных аэропланов в начале прошлого века до современных стальных птиц. За 100 лет существования авиации, материалы, из которых изготавливают авиалайнеры, существенно изменились.
Немного истории
Самые первые самолеты (братьев Райт, США – 1903 г.; «Вуазен», Франция – 1905г; «Блерио», Франция – 1906 г.; «Рой», Англия – 1908 г.) изготавливались из тонких стальных труб, обтянутых материей, или имели деревянную конструкцию и полотняную обшивку поверхностей. Следующим шагом совершенствования конструкций самолета следует считать замену тканей на обшивку фанерой. Для повышения прочности фанерных конструкций, их стали делать в несколько слоев, скрепленных клеем.
Однако, деревянные конструкции были довольно неуклюжими, имели большое сопротивление во время полета. С увеличением скоростей самолетов, повышением нагрева конструкций и элементов двигателей, их использование стало небезопасным. Конструкторы стали постепенно заменять деревянные детали на металлические. Но полностью металлические самолеты появились не сразу.
Несовершенная технология производства металла на первых этапах его применения в авиации, делала конструкции из него, тяжелее деревянных, поэтому переход на металл происходил не быстро. Первые пробные аэропланы целиком из металла были изготовлены немцами в начале второго десятилетия прошлого века. По весу они превышали деревянные конструкции в несколько раз, и их летные данные оставляли желать лучшего.
Большинство аэропланов, использовавшихся в Первой мировой войне (1914—1918 гг.), были деревянными с тканевой обшивкой.
После войны основной причиной развития металлических самолетов послужило появление пассажирской авиации, потребовавшей производства большого количества самолетов с длительными сроками эксплуатации. Деревянные конструкции набухали под действием неблагоприятных атмосферных явлений (влаги, температуры). При определенных условиях они начинали подгнивать. Все это приводило к их быстрому выходу из строя, и не удовлетворяло требованиям гражданской авиации.
Ученые многих стран трудились над совершенствованием металлических материалов для авиастроения и технологии их изготовления. В СССР, одним из основоположников металлического самолетостроения стал знаменитый авиаконструктор Андрей Николаевич Туполев.
В 30-е годы прошлого столетия металл почти полностью вытеснил дерево в конструкции самолетов. Однако деревянные конструкции еще некоторое время применялись в отдельных случаях. В частности, в конструкциях советских истребителей Лагг-3, И-16, Як-1 и других, участвовавших в Великой Отечественной войне, использовались деревянные элементы. Это было сделано из соображений экономии, так как деревянные конструкции в изготовлении обходились дешевле металлических.
С появлением реактивной авиации в 50-х годах прошлого века, деревянные конструкции самолетов перестали использоваться.
Нагрузки, воздействующие на самолет
Чтобы понять, из чего делают самолеты, необходимо рассмотреть их отдельные конструктивные составляющие и выяснить, какие нагрузки приходятся на каждую из них. К основным частям конструкции самолета относятся:
- фюзеляж;
- крылья;
- хвостовое оперение;
- двигатель;
- шасси.
Каждая из этих частей самолета имеет свое функциональное назначение. Фюзеляж самолета объединяет все элементы конструкции в единое целое. Крыло создает подъемную силу. Двигатели создают необходимую для полета тягу. Хвостовое оперение обеспечивает аэроплану горизонтальную и вертикальную управляемость. Шасси необходимы для совершения взлета и посадки.
В процессе полета и на земле все эти составные части самолета испытывают разнообразные, характерные только для них нагрузки.
Все нагрузки, которые приходится выдерживать самолету подразделяются :
- нагрузки от воздействия набегающего потока воздуха при различных скоростях полета самолета и при его маневрах (подъемная сила и сила лобового сопротивления);
- весовые нагрузки, за счет веса бортового оборудования, топлива, пассажиров, полезного груза, двигателей, шасси и др.;
- инерционные нагрузки, связанные с инерцией, которую набирают элементы конструкции самолета и груз при изменении скоростей;
- термические нагрузки, возникающие под воздействием скоростного напора воздуха, а также внутри работающего двигателя.
Для современных реактивных самолетов важна также и звуковая нагрузка, которая возникает при работе двигателя.
Потому как прилагаются эти нагрузки их можно подразделить на те, что влияют сразу на многие части самолета, и на те, что сосредоточены в определенном месте. Кроме того, есть нагрузки, которые действуют постоянно, с определенной динамикой или частотой.
Исходя из учета влияния указанных нагрузок на конкретные составные части самолета, выбираются материалы, из которых они изготавливаются. Однако, есть одно свойство, которое применимо ко всем без исключения материалам, это их максимально легкий вес при прочих равных достоинствах.
Материалы, из которых делают самолет
К основным материалам, из которых делаются самолеты, относятся различные металлы, их сплавы и композиционные материалы. Рассмотрим подробнее принципы работы с этими материалами.
Алюминий
Большая часть конструкции самолета изготавливается из алюминия и его сплавов. Он идеально для этого подходит, прежде всего, из-за своего небольшого веса, а также из-за широких возможностей менять свои свойства в сочетании с различными добавками.
Так, для изготовления планеров, подвергающимся небольшим аэродинамическим нагревам, используется дуралюмин, представляющий собой высокопрочный алюминиевый сплав с примесью меди, марганца и магния. Для температурно нагружаемых оболочек планера и силовых элементов скелета самолета используются сплавы алюминия повышенной жаропрочности, с добавлением магния. Такие сплавы также используются для изготовления отдельных элементов конструкции двигателя, работающих в умеренном тепловом режиме (лопатки, крыльчатки, диски компрессора первого контура).
Алюминиевые сплавы с добавлением кремния применяют для литья сложных по форме деталей, с небольшой нагруженностью. Эти сплавы обладают хорошей текучестью и заполняемостью в нагретом состоянии. Из них изготавливают: кронштейны, рычаги, фланцы. Их также используют для изготовления некоторых деталей двигателя: корпуса компрессоров, картеры, различные патрубки и др.
В общей сложности на алюминиевые конструкции самолета приходится до 80% от его общей массы.
Титан
Титан и титановые сплавы представляет особый интерес в авиастроении, в первую очередь, из-за своих возможностей выдерживать высокие температуры.
Из титана изготавливаются корпуса сверхзвуковых самолетов, передние края крыльев и стабилизаторов. Титановые сплавы широко применяются в конструкциях шасси, узлах крепления закрылков, в силовых элементах. В реактивных двигателях из титана изготавливаются детали, подвергающиеся высокотемпературным нагрузкам: лопатки компрессоров и диски компрессоров второго контура, кожухи камер сгорания, сопла реактивных двигателей.
Сталь
Сталь представляет собой сплав железа и углерода. Она довольно широко используется при изготовлении самолетов. В авиации в основном применяется конструкционная сталь с содержанием от 0,05 до 0,55% углерода. Из стали изготавливают отдельные элементы силового набора конструкции, детали шасси, болты, заклепки. Жаропрочная сталь идет на изготовление обшивок самолетов, развивающих большие скорости.
Композиционные материалы
Широкое применение при производстве самолетов нашли композиционные материалы (композиты), представляющие собой основу и распределенные в ней армирующие материалы. В качестве армирующих материалов используются органические волокна, а в качестве основы — различные металлические сплавы.
Детали, изготовленные из композитов, обладают небольшим весом, могут выдерживать высокие температуры. Их используют для изготовления обшивок крыла, оперения, створок шасси, радиопрозрачных обтекателей и др.
При рассмотрении материалов, из которых делаются самолеты нельзя забывать и о таких важных материалах, как резина и пластмассы. Резина применяется при изготовлении колес шасси, трубопроводов, шлангов, прокладок, уплотнителей, амортизаторов. Различные по своим свойствам пластмассы применяются для изготовления силовых элементов конструкции самолета, остекления кабины пилота, декоративной отделки пассажирского салона, в качестве электро- и теплоизоляции. Химически стойкие пластмассы используются для изготовления топливных баков.
Пожалуй, мы рассмотрели все основные наиболее используемые для производства самолетов материалы. То, из какого металла делают самолеты, во многом отражается и на их летных возможностях. Так, легкие алюминиевые сплавы используются для производства планеров дозвуковых самолетов, титан и сталь – для достижения сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростей.
Для всех авиационных материалов важной характеристикой является их технологичность, то есть способность их изготовления серийно, а не только в одном экземпляре. Самолеты производятся большими партиями, все их детали изготавливаются многократно. В ходе повторяющегося процесса изготовления они не должны терять своих основных свойств.
Для этого разрабатываются специальные технологические процессы, которые представляют собой последовательные изменения свойств материала на различных этапах его производства, вплоть до его получения с заданными свойствами. Все основные технологические процессы по изготовлению материалов для самолетов стандартизированы, что гарантирует их производство с одинаковыми свойствами. Изготовление авиационных материалов, основных конструктивных частей самолета и его окончательная сборка производятся на авиастроительных заводах.
Основные авиазаводы России
Чтобы увидеть, где в России делают самолеты, нужно открыть карту. География расположения авиазаводов на территории России представлена весьма разнообразно, от западных границ до Дальнего Востока.
В Южном административном округе, в Ростове –на-Дону и в Таганроге производят вертолеты Ми-26, Ми-28, Ми-35, самолеты-амфибии Бе-200. В Московской области – МиГ-29, Ил-103. В Центральной части России, в Воронежской и Смоленской областях — Ил-96-300, Ан-148, Ил-96-400, Ил-112, Як-18Т, СМ-92Т. На Волге расположены заводы по производству Ан-140,Ту-204, Ил-76, Ан-140, МиГ-29, МиГ-31, МиГ-35. В Республике Татарстан делают Ту-214, Ансат, Ми-17, Ми-38. В Сибири — Су-34, Су-30, Як-130, МС-21, Як-152, Су-25УБ, Су-25УБМ , Ми-8АМТ, Ми-171, Ми-171А2, Ми-8АМТШ. В республике Башкортостан – Ка-226, Ка-27, Ка-31, Ка-32. На Дальнем Востоке расположено производство Сухой Суперджет-100, Су-27, Су-30, Су-33, Су-35, Т-50 (ПАК ФА) и вертолетов Ка-52, Ка-62.
Резюме
Широта представленных авиазаводов по территории России, а также номенклатура изготавливаемой техники, говорит о развитом авиастроительном производстве России. Основы его были заложены знаменитыми учеными, конструкторами и инженерами прошлого века. В наше время новое поколение разработчиков авиационной техники успешно продолжает начатое ими дело. Иллюстрацией этому служат новые российские разработки самолетов и вертолетов, признанные во всем мире.
Конструкции легких самолетов: дерево, алюминий, сталь, композиты и свойства каждого.
Однонаправленные материалы в основном состоят из тонких, относительно гибких, длинных волокон, которые очень прочны на растяжение (например: нить, веревка, многожильный стальной трос и т. д.)
Для конструкции самолета также характерна симметричность. Это означает, что нагрузки вверх и вниз почти равны друг другу (или, по крайней мере, соизмеримы). Нагрузка на хвостовое оперение может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от того, поднимает ли пилот или опускает нос самолета, потянув или нажав ручку управления самолетом; руль направления может отклоняться вправо и влево (боковые нагрузки на фюзеляж). Порывы воздушного потока на крыло могут быть положительными или отрицательными, вызывая повышающие или понижающие нагрузки, которые испытывают пассажиры, когда их толкают в сиденье или они висят на ремнях.
Из-за этих факторов, разработчик должен использовать конструкционный материал, который может выдерживать как растяжение, так и сжатие. Однонаправленные волокна могут иметь превосходные параметры по растяжению, но из-за их малого поперечного сечения они имеют очень небольшую сопротивляемость сжатию. В качестве иллюстрации: вы не можете загрузить нить, веревку или цепь на сжатие.
Чтобы сделать тонкие волокна прочными на сжатие, их нужно «склеить» какой-то основой (матрицей). Таким образом, мы можем воспользоваться преимуществами их прочности на растяжение и избавляемся от их низкой прочности при сжатии, так как они становятся более устойчивыми к сжатию, помогая друг другу не сгибаться. Основа или матрица обычно представляет собой смолу, удерживающую волокна вместе и позволяющую им выдерживать требуемые нагрузки сжатия. Это очень хороший конструкционный материал.
Дерево
Исторически дерево использовалось в качестве первого однонаправленного конструкционного материала. Природа, в своей мудрости, дала прекрасный однонаправленный материал, заставляя определенные деревья расти в определенных условиях: они должны быть высокими и прямыми, а их древесина должна быть прочной и легкой. Поперечное сечение ствола дерева показывает годовые кольца, чтобы мы могли посчитать возраст дерева. Темные полосы (поздняя древесина) содержат много волокон, тогда как светлые полосы (ранняя древесина) содержат гораздо больше «смолы». Таким образом, чем шире темные полосы, тем сильнее и тяжелее древесина. Если темные полосы очень узкие, а светлые - довольно широкие, дерево светлое, но не очень прочное. Чтобы получить наиболее эффективное соотношение прочности и веса для дерева, нам нужно определенное количество полос на дюйм. Фактически, мы хотим получить хороший баланс «ранней» и «поздней» древесины, или, другими словами, очень особых условий выращивания, то есть географической высоты, где рост дерева зависит от широты и местных климатических условий. Хотя это очень интересная тема, мы не будем вдаваться в такие подробности, кроме как упомянуть, что именно природа снабжает нас очень эффективным материалом из своего растительного царства. Помните, что вопреки строго минеральному миру, безнадежно подверженному гравитации, растягивающей все вокруг, растение имеет в себе силу, которая заставляет его расти против силы тяжести вверх. Если бы мы могли использовать эти жизненные силы в наших машинах, мы могли бы подняться без помощи двигателя. Авиации еще многое предстоит открыть.
Еще одна тема, которую мы не будем касаться - это испытания древесины Есть несколько простых тестов (влажность, динамика, устойчивость), но кажется, что никто их больше не знает.
Некоторые из наших авиационных конструкций двумерные (длина и ширина большие по толщине). Для таких структур часто используется фанера. Несколько тонких листов шпона склеены между собой так, что волокна разных слоев пересекаются под разными углами: обычно под 90 градусов, также можно 30 и 45). Фанера весьма эффективно работает на сдвиг, если конструктор правильно ее использует.
Чтобы завершить эту дискуссию о древесине, давайте прямо заявим, что наша нынешняя цивилизация использует так много бумаги, что мы истощаем планету от деревьев, не пересаживая их правильно. Сегодня хорошую древесину для строительства самолетов очень трудно найти. Вместо того, чтобы использовать одну хорошую доску для лонжерона, мы должны использовать ламинирование, потому что большие куски дерева практически недоступны, и мы больше не можем доверять качеству древесины. Мы должны использовать много слоистых материалов, чтобы получить необходимую прочность без слишком большого перетяжеления. С точки зрения доступности нам просто нужна замена того, что природа снабжала нас до сих пор.
Алюминиевые сплавы
Итак, поскольку дерево может быть не таким доступным, как было раньше, мы смотрим на другой материал, который является прочным, легким и легко доступным по разумной цене: алюминиевые сплавы. Нет смысла обсуждать титан - он просто слишком дорогой. Мы обсудим свойства алюминиевых сплавов, которые используются в конструкции легких самолетов, более подробно позже. Пока мы будем рассматривать алюминий как конструкционный материал.
Экструдированные алюминиевые сплавы: благодаря процессу производства алюминия мы получаем однонаправленный материал, который в продольном направлении немного прочнее, чем в поперечном, при этом прочный и на сжатие. Если характеристики растяжения и сжатия практически одинаковы для алюминиевых сплавов, то дерево, с другой стороны, имеет предел прочности при растяжении, примерно вдвое превышающий его прочность на сжатие; соответственно, необходимо использовать специальные методы анализа напряжений, и для того, чтобы избежать концентрации напряжений, необходимо хорошее понимание работы древесины под нагрузкой!
Алюминиевые сплавы в тонких листах (0,016-0,125 дюйма или 0,4-3,1 мм) представляют собой превосходный двумерный материал, широко работающий на сдвиг, с подкрепляющими элементами и без, а также в качестве элементов растяжения-сжатия, когда они надлежащим образом согнуты.
Стоит помнить, что алюминий - это искусственный металл. Алюминий получают путем электролиза из боксита (оксид алюминия), который затем смешивают с различными добавками, повышающими прочность. В следующей статье мы увидим, какие добавки используются, и почему и как мы можем повысить прочность алюминия путем холодного упрочнения или закалки. Все обычно используемые алюминиевые сплавы, которые доступны на рынке. По запросу при покупке вы можете получить сертификат, который гарантирует химические и физические свойства в соответствии стандартами.
Как правило, алюминий в три раза тяжелее, но и в три раза прочнее дерева. Сталь снова в три раза тяжелее и прочнее алюминия.
Стали
Таким образом, следующим материалом для конструкции самолета будет сталь, которая имеет такую же удельную прочность, как дерево или алюминия.
Мы в основном используем хром-молибденовый сплав под названием 4130.
Распространенным полуфабрикатами являются трубы и листовой материал. Сталь из-за большого удельного веса не используется в качестве обшивки, так как алюминиевые листы или фанера. Если из прочностных соображений, там, где нам понадобится фанера толщиной 0,1 дюйма (2,5 мм), нам потребуется алюминиевый лист 0,032 дюйма (0,8 мм), стальной же лист в этой ситуации должен иметь толщину 0,01 дюйма (0,25 мм), который слишком тонок. Вот почему стальной фюзеляж использует трубы в качестве элементов ферменной конструкции для передачи сжатия или растяжения, и вся конструкция затем покрывается легкой тканью, чтобы придать ей необходимую аэродинамическую форму или желаемый вид. Следует отметить, что этот метод включает в себя два метода: обработка стали и покрытие ткани.
Преимущество стальной конструкции состоит в том, что ее можно легко сваривать. Это особенно относится к Северной Америке, где сварщик не должен быть аттестован, как некоторых других странах. Исторически эта разница в нормативных документах связана с «духом пионеров» и объясняет, почему сварные стальные фюзеляжи так распространены здесь и практически нигде больше.
Мы будем обсуждать трубы и сварные стальные конструкции более подробно позже, а теперь перейдем к «искусственной древесине» или композитным конструкциям.
Композиционные материалы
Разработчик композитного самолета просто использует волокна в нужном направлении именно там, где требуется. Волокна залиты смолой, чтобы удерживать их на месте и обеспечивать необходимую опору для предотвращения коробления. Вместо фанеры или листового металла, который допускает только одну кривизну, композитный конструктор использует ткань, где волокна уложены в двух направлениях, также встроенные в смолу. Это имеет преимущество свободы формы в двойной кривизне, как того требуют оптимальные аэродинамические формы и очень привлекательный внешний вид.
Современные волокна (стеклянные, нейлоновые, кевларовые, углеродные или монокристаллические волокна различного химического состава) очень прочные, поэтому конструкция становится очень легкой. Недостаток - очень маленькая жесткость низкая устойчивость. Конструкция нуждается в подкреплении, которое достигается либо обычными незаметными ребрами жесткости, либо более элегантно с многослойной структурой: два слоя тонких однонаправленных или двунаправленных волокон разделяются легким наполнителем (пенопластом или «сотами»). Это позволяет конструктору достичь необходимой жесткости.
С инженерной точки зрения этот метод очень привлекателен и поддерживается многими органами власти, поскольку он позволяет новые разработки, которые необходимы в случае войны. (США, не имеющие титана или хрома, нуждаются в разработке практических альтернатив.) Но этот метод также имеет свои недостатки для жилищного строительства: необходима форма, и необходим строгий контроль качества для правильного количества волокон и смолы и для хорошей адгезии. между обоими, чтобы предотвратить слишком «сухую» или «мокрую» структуру. Также отверждение смолы довольно чувствительно к температуре, влажности и давлению. Наконец, смолы являются активными химическими веществами, которые будут вызывать не только хорошо известные аллергии, но также химические вещества, которые воздействуют на наш организм (особенно глаза и легкие), и они обладают неблагоприятным свойством кумулятивного повреждения и в результате (в частности, ухудшения глаз) появляется только через несколько лет после первого контакта.
Другим недостатком смол является их ограниченный срок хранения, то есть, если смола не используется в течение указанного промежутка времени после изготовления, результаты могут быть неудовлетворительными и небезопасными.
Наконец, если формы не очень хорошо спроектированы, изготовлены и обслуживаются, внешняя часть конструкции нуждается в сложной и трудоемкой финальной отделке. Также следует проявлять большую осторожность, так как слишком много шлифования может привести к ослаблению силовой конструкции. Исторически сложилось, что композиты достигли своего пика несколько лет назад. Сегодня доказано, что только опытные специалисты могут создать надежную и совершенную конструкцию, при этом рисковать своим здоровьем.
Подведем итоги
• Природа предоставляет сырье, прекрасно подходящее для авиационных конструкций. К сожалению, мы эксплуатируем природу, и сегодня трудно найти запасы древесины и фанеры необходимых размеров и качества.
• Алюминиевые сплавы в экструдированной и ламинированной форме являются привлекательной альтернативой, особенно потому, что их легко поставлять с гарантированными свойствами.
• Стальные трубы по-прежнему очень популярны в Северной Америке, поскольку сварка, кажется, не создает никаких проблем, как это опасается в других частях мира. Трубчатая структура покрыта тканью.
• Композиты можно рассматривать как «искусственное дерево» со структурной точки зрения. Как и все искусственное, оно может быть лучше, чем натуральный продукт, но производитель должен учитывать в процессе производства мудрость, присущую природе, и / или качество, обеспечиваемое другими производителями сырья (алюминий, сталь). Это в дополнение к опасностям для нашего собственного здоровья (и здоровья нашей семьи при строительстве в гараже).
Оригинал статьи на английском языке.
Специальное спасибо переводчику Google, ведь с каждым днем он становится комфортым.
Ну и немного о себя
Так получилось, что период моего обучения на авиационного инженера пришелся на середину и конец восьмидесятых. Это было пиком развития отечественной авиационной промышленности. Дерево, великолепный конструкционный материал, особенно для легких самолетов, использовался исключительно при изготовлении макетов. Наиболее распространенными были алюминиевые сплавы: Д-16Т, В95, АК4-1 и тому подобные: легко обрабатываемые и со стабильными характеристиками. Сталь 30ХГСА применялась в высоконагруженных конструкциях и сварных узлах. Ее отличием и недостатком одновременно, по сравнению с хромолибденовой американской сталю, является обязательная необходимость термообработки (закалки или нормализации), а процесс этот не очень простой технологически. Крис Хайнц обходит стороной титан. У нас же денег никто тогда не считал, вот почему титановые рессоры на легких самолетах были нормой. О композитах хочу сказать отдельно. Тогда, в 80-х было четкое мнение, которое спустя сорок лет прочно сидит в сознании многих не только обывателей, но и инженеров: металлические конструкции (кроме титана и нержавеющей стали, естественно) – неэффективные и устаревшие, а вот композитные – уникальные, высокоэффективные, современные и, позволю себе сказать, модные. Такое мнение поддерживалось везде, на всех уровнях.
Пару лет назад, готовя публикацию о самолете Cessna 400, я обнаружил следующее. Прежде чем прекратить выпуск данной модели самолета в 2018 году из-за низких продаж, собирали его, как и положено в США, а вот производство композитных агрегатов было перенесено в Мексику из-за проблем с экологией и общей вредностью композитного производства.
Если посмотреть с точки зрения материалов на самолеты, которые выпускает компания Zenith Aircraft, то заметны следующие принципы. Основной конструкционный материал – алюминиевые сплавы, сталь в ферменных конструктивных элементах и сложных узлах. Композиты – в несиловых конструкциях сложной формы: капоты и обтекатели шасси. При чем такой здравомыслящий подход заметен в конструкциях многих современных легких самолетов: не это ли «инженерная мудрость»?
МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ САМОЛЕТА
Для изготовления основных силовых элементов планера самолета — фюзеляжа, агрегатов коробки крыльев и хвостового оперения, которые в своей совокупности образуют так называемую каркасную группу, применяется сплав алюминия под названием «дюралюминий» от французского «duraluminium» («dur» — значит твердый, крепкий).
Алюминиевые сплавы маркируются условным набором букв и цифр. Буква Д в начале марки означает сплав типа дюралюминий. В начале марки или после числа, указывающего номер сплава, может стоять также буква А, что означает технически чистый, алюминий, т. е. сплав повышенного качества.
Буквы АК или АЛ означают в первом случае алюминиевый ковкий сплав, а во втором — алюминиевый литейный сплав.
После условного номера для сплава данной группы (например, 16) следуют буквенные обозначения, характеризующие состояние сплава, т. е. вид его предварительной обработки:
М — мягкое состояние (сплав отожжен);
Т — термически обработанный (закаленный и естественно состаренный);
Т1—закаленный и состаренный искусственно (при температуре выше 100°);
П — «полунагартованный» (проволока для заклепок);
В — повышенное качество выкатки и т. д.
Совокупность этих обозначений и характеризует марку сплава дюралюминий Д16 (средний состав: 4,3% Cu — медь; 1,5%-Mg— магний; 0,6% Mn— марганец; 0,5% 51 —кремний (силиций); Al — алюминий — остальное). Широко применяются для изготовления силовых элементов самолета лонжероны, шпангоуты, стрингеры, нервюры, обшивка и т. д.
Для повышения коррозионной стойкости полуфабрикаты из сплава Д16 часто выпускаются плакированными, т. е. покрытыми е поверхности тонкими защитными слоями чистого алюминия, обладающего по сравнению с дюралюминием более высокой химической стойкостью или покрываются пленкой анодного оксидирования.
Сплав Д16, подвергнутый закалке и естественному старению, обладает пределом прочности sв порядка 46 кгс/мм 2 . Механические свойства листового плакированного дюралюминия приведены в табл. 1.
Таблица 1
| Марка материала | Предел прочности, кгс/мм 2 . | Относительное удлинение d, % |
| Д16АМ Д16АТ Д16АТВ Д16АТН Д16АТНВ | Не более 24 41—43 43—46 | 13—11 10-8 |
Наиболее распространенным ковочным сплавом является сплав АК-6 (~2,2% Cu; 0,6% Мg; 0,6% Мn; 0,9% Si). Он обладает почти таким же пределом прочности, как и Д16, но более пластичен в горячем состоянии. Из него изготовляют множество авиационных деталей сложной формы: кронштейны, фитинги, рычаги, передаточные качалки и многие другие.
Сплавы с кремнием (4—12% Si, а иногда и с дополнительными присадками) называются силуминами. Они легки (g =2,6— 2,7 г/см 3 ), прочны, коррозийно устойчивы и обладают наилучшими литейными свойствами. Сплав АЛ2 (10—13%Si) применяется для тонкостенного и мелкого литья, чаще всего деталей авиаколес, агрегатов и приборов.
Сплавы АЛ4 и АЛ9 с меньшим содержанием кремния (9 и 7%) имеют более высокую прочность. Из АЛ4 отливают крупные детали, несущие высокие нагрузки, а из АЛ9, обладающего лучшими литейными свойствами, изготавливают сложные детали средней нагруженное.
В самолетостроении часто применяются также сплавы для холодной штамповки и сварных конструкций, неупрочняемые термической обработкой. К ним относятся: алюминиевомарганцовистые АМц (1—1,6% Мn), алюминиевомагниевые (магналий) АМт (2— 6% Мg) и технический алюминий АД. Для этих сплавов характерны повышенная пластичность, невысокая и средняя прочность (12—30 кгc/мм 2 ), высокая коррозионная стойкость, хорошая свариваемость и относительно высокий предел усталости.
Из них изготавливают путем вытяжки, штамповки и сварки трубы, баки, аэродинамические «зализы», корпуса и крышки приборов, экраны, приборные стрелки, кронштейны и др.
Для заклепок применяются сплавы с меньшим содержанием меди и магния: медленно стареющие (ДЗП), нестареющие (АМг-5П) или сохраняющие высокую пластичность после старения (Д18П, В94).
Кроме алюминиевых сплавов, в самолетостроении применяются магниевые сплавы (МЛ4, МЛ5 и МЛ 12). Магниевые сплавы даже обладают некоторыми преимуществами перед рядом алюминиевых сплавов. Им несвойственна межзеренная коррозия. Из магниевых сплавов изготавливаются: колеса, вилки шасси, фонари, двери кабин, штурвальные колонки, детали сидений, корпуса приборов, насосов, коробок передач, передние кромки крыльев, литые крылья, литые дверцы люков шасси и др. Однако защита от коррозии в эксплуатации является для магниевых сплавов по-прежнему проблемой.
Наиболее нагруженные детали и узлы самолета Ан-2 изготавливают из хромомарганцевокремнистой стали (хромансиль) марки ЗОХГСА, которая содержит 0,3% углерода и примерно по одному проценту хрома, марганца и кремния (силиция) с пониженным содержанием серы и фосфора (S≤0,03%, P≤0,03%). Буква A в конце марки означает, что сталь повышенного качества (выплавлена электроплавкой, содержит пониженные количества вредных примесей).
Легированные стали маркируются в соответствии с их составом. В начале марки двузначным числом указывается среднее содержание углерода в сотых долях процента, затем следуют буквенные обозначения легирующих элементов. Справа от условного обозначения элемента указывается его примерное содержание в процентах, если оно превышает 1 %.
В качестве условного обозначения легирующих элементов стали берут первую букву русского наименования элемента, но так как названия разных элементов начинаются иногда с одной и той же буквы, например: молибден, марганец, медь, то для некоторых элементов ввели условные обозначения из «свободных» букв алфавита. Буквой Г обозначают марганец, Д — медь, С — кремний, Ф — ванадий, Ю — алюминий, Р — бор, Б — ниобий.
Сталь ЗОХГСА обладает повышенными механическими свойствами. При соответствующей термической обработке предел ее прочности достигает 110—130 кгс/мм 2 . Хромансилевая сталь сваривается всеми видами сварки, но газовая сварка менее желательна. При газовой сварке возможно образование трещин, особенно при верхнем допуске содержания углерода (0,35% С).
Углеродистые стали маркируются буквами Ст. и цифрами от 0 до 7, которые для сталей группы А, не идущих на термообработку, указывают механические свойства, а для сталей группы Б, обрабатываемых термически,— состав. Качественные углеродистые стали маркируются двузначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Высокоуглеродистые стали (инструментальные) маркируются буквой У и числом, указывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, У7 (0,7% С), У12 (1,2% С) и т. д.
На самолете Ан-2 ленты-расчалки, валики и муфты к ним изготавливают из среднеуглеродистой стали марки 45А, которая после закалки и отпуска имеет предел прочности δВ = 70—90 кгс/мм 2 и относительное удлинение δ=11%.
Отдельные узлы, болты, гайки и другие детали изготавливаются из малоуглеродистой стали марки 20, 20А и 25. Сталь 25 имеет δВ≥43 кгс/мм 2 .
Небольшое количество деталей, находящихся в зонах высоких температур и подверженных износу, изготавливают из нержавеющей жароупорной стали 1Х18Н9Т с титаном. Она является одним из наиболее распространенных нержавеющих материалов авиационной техники, применяемых как при низких, так и повышенных температурах.
Сталь 1Х18Н9Т применяется также для работы при низких температурах — трубы гидросистем, напорные бачки, окислительные емкости и трубопроводы. В этих случаях сталь применяется в полунагартованном состоянии (δВ =120—130 кгс/мм 2 ). Это повышает удельную прочность по сравнению с ненагартованной сталью примерно вдвое.
Из листовой стали марки 1Х18Н9Т на самолете Ан-2 изготовлен выпускной коллектор, выпускная труба и жаровые трубы, расположенные внутри выпускного коллектора.
Для обшивки крыльев и хвостового оперения применяют хлопчатобумажное авиационное полотно (авиационная мерсерезиновая ткань) марки АМ-93, имеющее среднюю прочность на разрыв не менее 70 кгс и удлинение не более 13%.
Ролики, поддерживающие тросы системы управления самолетом, изготавливаются из текстолита.
Стекла фонаря кабины пилотов и грузовой кабины изготовлены из органического стекла. Бак для химикатов на самолете Ан-2 в сельхозварианте изготовлен из эпоксидного ламината (стеклоткань, пропитанная эпоксидной смолой).
Рис. 1.5. Схема самолета Ан-2 на колесном шасси. Вид спереди и сбоку
КРЫЛАТЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Кандидат технических наук А. ЖИРНОВ, заместитель генерального директора ВИАМа.
Восьмимоторный гигант АНТ-20 ("Максим Горький") был построен, как и многие металлические самолеты начала 30-х годов, из гофрированного алюминия.
Массивные и очень ответственные детали шасси современных транспортных и пассажирских самолетов ОКБ им. С. В. Ильюшина изготовлены из титанового сплава ВТ-22. На снимке: Ил-76.
- Сталь и алюминий, титан и пластмассы, клеи и дерево, стекло и резина - ни один самолет не полетит без этих материалов. Все они разработаны или испытаны в ВИАМе
- В каждой лопатке турбины реактивного двигателя воплощены самые совершенные металлургические технологии. Стоимость одной монокристаллической лопатки соизмерима с ценой дорогого легкового автомобиля
- Испытательный центр - "малая академия наук" ВИАМа. Грозит ли усталость металла разрушением самолета? Как найти скрытые дефекты в металле? Какими свойствами обладает новый материал? Во всем этом разбираются сотрудники Испытательного центра
- Армрестлинг как способ разрешения ученого спора, или Как Н. С. Хрущев летал в Америку
- "Состаренный" материал не значит "старый"
- Как кроили "шубу" для "Бурана"
- От воздействия высоких температур турбинные лопатки защищает плазма
- Чем совершеннее летательный аппарат, тем больше в нем неметаллических материалов . Уже спроектированы самолеты, на две трети состоящие из композитных материалов и пластмасс
- Утром лаборант, вечером студент. И все это - не выходя из родной лаборатории. Если государство не готовит специалистов, их приходится учить на месте
- Коррозия - враг любого металла. Ржавеет даже нержавеющая сталь. Как лечить язвы на теле "Рабочего и колхозницы"?
- Склеить можно все что угодно. Нужен только подходящий клей. В небе летают склеенные самолеты, и это не детские модели, а большие транспортные воздушные суда.
Первые шаги нашей авиации связаны с закупкой иностранных самолетов. Были они по большей части деревянными, фюзеляж и крылья обтягивались тканью. Конечно же такие "матерчатые" самолеты не могли выдерживать значительных скоростных и температурных нагрузок, нужны были иные материалы, прежде всего - металл.
Идея строить самолеты из алюминия возникла в Германии. Там же появились первые сплавы, разработанные специально для самолетов. Их назвали дуралюминами. Подобный сплав был создан и у нас в стране в середине 20-х годов. Он получил марку Д-1 - это сплав алюминия с медью и небольшим количеством магния.
В 1932 году академик А. А. Бочвар разработал теорию рекристаллизации алюминиевых сплавов, которая легла в основу создания легких сплавов. В стране к тому моменту существовала производственная база: первый алюминиевый завод "Кольчугалюминий" (расположенный в селе Кольчугино Владимирской области) выпускал гладкие и гофрированные листы технического алюминия - это алюминий с небольшими добавками марганца и магния. Такой алюминий обладал достаточной прочностью, был пластичен и потому использовался для обшивки фюзеляжей летательных аппаратов.
Однако материал для новых скоростных самолетов должен был иметь совершенно иные качества. И через некоторое время в лаборатории алюминиевых сплавов ВИАМа (созданной одновременно с открытием института в 1932 году) разработали сплав Д-16, который применялся в самолетостроении почти до середины 80-х годов. Это сплав на основе алюминия с содержанием 4-4,5% меди, около 1,5% магния и 0,6% марганца. Из него можно было делать практически любые детали самолета: обшивку, силовой набор, крыло.
Но скорости и высота полетов росли. Требовались высокопрочные сплавы. В середине 50-х годов возглавивший лабораторию алюминиевых сплавов академик И. Н. Фридляндер совместно со своими коллегами В. А. Ливановым и Е. И. Кутайцевой разрабатывает теорию легирования высокопрочных сплавов. Введение в систему алюминий - медь цинка и магния позволило резко увеличить прочность материала. Так возник сплав В-95, обладающий прочностью 550-580 Мпа (~ 5500- 5800 кгс/см 2 ) и в то же время имеющий хорошую пластичность. У него был один изъян: недостаточная коррозионная стойкость, что, однако, устранялось путем двухступенчатого искусственного старения.
Новый сплав получил признание авиастроителей не сразу. В это время А. Н. Туполев создавал новый пассажирский лайнер Ту-154. Проект никак не укладывался в заданные весовые характеристи ки, и тогда генеральный конструктор сам позвонил Фридляндеру, обратившись за помощью, на что тот конечно же предложил использовать новый сплав. Проект новой машины переработали. Сплав В-95 нашел свое место для верхней поверхности крыла, из него изготовили прессованные панели и стрингеры, значительно снизив вес самолета. Такие же исследования параллельно шли в США. Там возникли сплавы серии 7000, в частности сплав 7075 - полный аналог нашего сплава.
Нагрузки, которые испытывает крыло самолета, неравноценны. Если верх крыла работает в основном на сжатие, то нижняя часть - на растяжение. Поэтому ее по-прежнему делали из дуралюмина Д-16, имеющего более высокие пластичность и порог усталости. Но и этот сплав претерпел серьезную модификацию за счет повышения чистоты по примесям при литье слитков. Технологические усовершенствования были столь значительны, что появился фактически новый материал - сплав 1163, который и в настоящее время успешно используется в нижних обшивках крыла и всего фюзеляжа.
Увеличение эксплуатационного ресурса самолетов всегда оставалось и остается задачей номер один. Добиться еще большей надежности и долговечности материалов можно, изменив структуру металла - "измельчив зерно". Для этого в сплавы начали вводить небольшие количества (до 0,1%) циркония. Величина зерна металла действительно резко уменьшилась, ресурс возрос. Одновременно создавались специальные ковочные сплавы, предназначенные для самых ответственных, силовых конструкций лайнеров. Так был разработан сплав 1933, превосходящий по своим параметрам зарубежные аналоги. Из него изготовляют детали силового набора и шпангоуты. Специалисты европейской авиастроительной фирмы "Эрбас" провели испытания нового материала и приняли решение использовать его в своих самолетах серий А-318 и А-319.
К сожалению, процесс весьма выгодного сотрудничества приостановлен. Причина в том, что акции двух основных российских производителей алюминиевой продукции - Самарского и Белокалитвенского металлургических комбинатов - выкуплены американской фирмой "ALKO". Значительная часть оборудования на предприятиях демонтирована, технологическая цепочка нарушена, квалифицированные кадры разошлись, и производство фактически прекратилось. Сейчас эти предприятия выпускают в основном фольгу, которая идет на изготовление пищевых банок и упаковок…
И хотя в настоящее время при посредстве российского правительства между компанией "АЛКОА-РУС" (она теперь называется так), ВИАМом и авиационными конструкторскими бюро достигнуты договоренности о возобновлении выпуска так необходимых нашей авиационной промышленности материалов, процесс восстановления идет крайне медленно и болезненно.
ВИАМ стал родоначальником серии сплавов пониженной плотности. Это совершенно новый класс материалов, содержащих литий. Первый такой сплав создал академик И. Н. Фридляндер со своими учениками еще в 60-х годах - на четверть века раньше, чем где-либо в мире. Его практическое использование, правда, поначалу было ограничено: такой активный элемент, как литий, требует особых условий выплавки. Первый промышленный алюминиево-литиевый сплав (его марка 1420) был создан на основе системы алюминий - магний с добавлением 2% лития. Его использовали в КБ А. С. Яковлева при строительстве самолетов вертикального взлета для палубной авиации - именно для таких конструкций экономия веса имеет особое значение. Як-38 эксплуатируется до сих пор, и никаких нареканий к сплаву нет. Более того. Оказалось, что детали из этого сплава обладают повышенной коррозионной стойкостью, хотя алюминиево-магниевые сплавы и сами по себе мало подвержены коррозии.
Сплав 1420 можно сваривать. Это его свойство использовали при создании самолета МиГ-29М. Выигрыш в весе при строительстве первых опытных образцов самолета за счет пониженной плотности сплава и исключения большого количества болтовых и клепочных соединений достигал 24%!
В настоящее время модификацией этого сплава - сплавом 1424 - весьма заинтересовались специалисты "Эрбаса". На заводе в городе Кобленце (ФРГ) из сплава откатали широкие листы длиной 8 м, из которых изготовили полноразмерные элементы конструкции фюзеляжа. Ребра жесткости из того же материала приварили лазерной сваркой, а элементы соединили между собой сваркой трением, после чего отправили на ресурсные испытания во Францию. Несмотря на то что некоторым деталям намеренно нанесли повреждения (для оценки работоспособности в экстремальной ситуации), после 70 тысяч циклов нагрузки конструкция полностью сохранила эксплуатационные свойства.
Еще один сплав с литием, созданный в ВИАМе, - 1441. Его главная особенность в том, что из него можно делать листы рулонной прокатки толщиной 0,3 мм с сохранением высоких прочностных качеств. Конструкторское бюро имени Бериева использовало сплав для изготовления обшивки своего гидросамолета Бе-103. Эту небольшую - всего на четыре человека - машину, толщина обшивки которой 0,5-0,7 мм, выпускает завод в Комсомольске-на-Амуре. Ее вес на 10% меньше, чем аналогичных моделей из традиционных материалов. Партию таких самолетов уже купили американцы.
Тонкий, но прочный прокат необходим для создания недавно появившегося нового класса материалов - слоистых алюмостеклопластиков, которые в России называются "сиал", а за границей - "глэр". Материал представляет собой многослойную конструкцию: чередование слоев алюминия и стеклопластика. У него немало преимуществ перед монолитными. Во-первых, стеклопластик можно армировать искусственными волокнами, на треть увеличивая прочность. Но главный выигрыш в том, что, если в конструкции появляется трещина, она растет на порядок медленней, чем в монолитных материалах. Именно этим сиалы, или глэры, в первую очередь заинтересовали авиастроителей. Из такого материала впервые изготовлена верхняя часть обшивки фюзеляжа аэробуса А-380 в наиболее ответственных местах - перед крылом и после крыла. Ресурсные испытания показали, что трещина в таком материале при рабочих нагрузках практически не растет. Поэтому глэры можно использовать как преграды-стопперы для предотвращения роста трещин в виде вставок в верхние обшивки фюзеляжа, где требуются особо высокая надежность и долгий ресурс службы.
В ВИАМе создано более полусотни титановых сплавов различного назначения, из которых сегодня серийно используется около тридцати. Сейчас доля титановых сплавов в самолете в зависимости от его типа и назначения колеблется от 4 до 10-12%. Высокопрочные сплавы из титана, например ВТ-22, более четверти века используются для изготовления сварных шасси Ил-76 и Ил-86. Это сложные, массивные детали на Западе начинают делать из титана только сейчас. В ракетной технике доля титана намного выше - до 30%.
Созданные в ВИАМе высокотехнологичные сплавы ВТ-32 и ВТ-35 в отожженном состоянии очень пластичны. Из них можно формовать сложные детали, которые после искусственного старения приобретают чрезвычайно высокую прочность. Когда в начале 1970-х годов в КБ Туполева создавался стратегический бомбардировщик Ту-160, на московском заводе "Опыт" был построен специальный цех для изготовления титановых деталей центроплана. Эти самолеты летают до сих пор, правда, в России их осталось только одна эскадрилья.
С егодня перед ВИАМом стоит задача создания титановых сплавов, надежно работающих при температурах 700-750 о С. К сожалению, все металловедческие возможности, использовавшиеся при создании традиционных сплавов, уже реализованы. Требуются новые подходы. В этом направлении в лаборатории идут исследования по созданию так называемых интерметаллидных соединений на базе титан - алюминий.
Алюминиево-бериллиевые сплавы (их называют АБМ) исследуются и создаются на нашем предприятии уже 27 лет. Первый самолет с использованием такого сплава построил конструктор П. В. Цыбин.
Сплавы АБМ выгодно отличаются от других алюминиевых сплавов более высокой усталостной прочностью и уникальной акустической выносливостью. Сейчас они нашли применение в сварных конструкциях космических аппаратов, в том числе в серии хорошо известных межпланетных станций "ВЕНЕРА".
Интересен и сам бериллий, у которого модуль упругости на 30-40% выше, чем у высокопрочных сталей, а коэффициенты термического расширения близки, что позволило применять его в гироскопах.
В ВИАМе разработана технология изготовления тонкой вакуумно-плотной фольги и дисков и пластин из нее. Разработана технология пайки такой фольги с другими конструкционными материалами, и налажено серийное производство узлов рентгеновских аппаратов как для российских предприятий, так и для зарубежных фирм.
Еще один наш филиал организован в Поволжье в начале 1980-х годов, во время создания самого большого авиационного завода в Ульяновске, который выпускал гиганты авиации - "Русланы" и "Мрии". Для технологического сопровождения этих самолетов и была создана специальная лаборатория.
Одна из ее задач - внедрение в авиастроение композиционных материалов. Это - ближайшее будущее самолетостроения. Например, "Боинг-787", который готовится к выпуску через два года, на 55-60% будет состоять из композиционных материалов. Весь планер: фюзеляж, крыло, оперение - строится из композиционных материалов - углепластиков. Доля алюминия сократится до 15%. Углепластики - чрезвычайно заманчивый материал для самолетостроителей. Они обладают высокой удельной прочностью, малым весом, довольно приличными ресурсными характеристиками. Угроза разрушения из-за образования трещин снижается на порядки. Хотя, конечно, в отношении этих материалов остается ряд вопросов, которые до сих пор не решены. Было установлено, например, что в месте контакта углепластика с алюминием из-за возникновения гальванической пары развивается коррозия. Поэтому в таких местах алюминий пришлось менять на титан.
Когда создавался Ульяновский филиал, доля композитных материалов в конструкции отечественных летательных аппаратов была не очень велика. Тем не менее мы потихоньку начали обучать работе технологов, рабочих… Потом настали трудные времена, весь завод находился на грани закрытия, но филиал выжил. Постепенно производство восстанавливалось, и, хотя до сих пор оно наполовину законсервировано, есть несколько заказов на Ту-204, есть заказы из Германии на изготовление "Русланов". А значит, есть поле деятельности для нашей лаборатории.
Второе направление работы Ульяновского филиала - специальные, эрозионно- и коррозиестойкие покрытия.
При разложении металлоорганических жидкостей в вакууме на поверхностях образуются покрытия из хрома и карбидов хрома. Регулируя процесс, можно получать покрытия, содержащие любые соотношения этих компонентов - от чистого хрома до чистых карбидов. Твердость хромированного покрытия - 900-1000 Мпа, карбидного - вдвое выше - около 2000 Мпа. Но, чем выше твердость, тем больше хрупкость. Между этими крайностями и находят искомое в каждом отдельном случае.
Другой путь достижения нужных результатов обеспечивают нанотехнологии. В гальванические хромосодержащие ванны вводят наночастицы карбидов и оксидов металлов размером от 50 до 200 нм. Изюминка процесса в том, что сами эти частицы в состав покрытия не входят. Они лишь усиливают активность осаждаемого компонента, создают дополнительные центры кристаллизации, благодаря чему покрытие получается более плотным, более коррозиестойким, обладает лучшими противоэрозионными свойствами.
И в заключение еще об одном уникальном качестве института: в СССР существовала неплохая система, надежно гарантирующая качество конечного продукта предприятия. В ВИАМе эта система сохранилась и поныне. Если конструкторское бюро или частная компания закупают какой-то продукт, перед использованием они предпочитают передать его в ВИАМ на испытание. Нам по-прежнему доверяют.
Читайте также: