Введение

В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) получили широкое распространение в конструкциях вертолетной техники. В частности, из ПКМ изготавливают элементы интерьера, обтекатели двигателя, панели фюзеляжа, двери и приборные панели, элементы молниезащиты, но наиболее ответственными являются конструкции несущей системы вертолета.

Конструкция и производство лопастей несущего винта вертолета – объект пристального внимания и инноваций, поскольку именно лопасти определяют летные возможности и безопасность вертолета. Сложная картина движения лопасти зависит от ее динамических характеристик, крепления к втулке, режима полета и других переменных. Поиск оптимальных решений в этой области требует интенсивных исследований и внедрения новейших материаловедческих технологий [1‒4].

На протяжении всей истории вертолетостроения (от первых моделей до современных) для изготовления силовых элементов лопасти применяли разнообразные материалы: дерево, коррозионностойкие легированные стали, алюминиевые и титановые сплавы. В последние десятилетия широкое распространение получили лопасти из композитов. В отечественных и большинстве зарубежных средних и тяжелых вертолетов лонжероны лопастей выполняются с D-образным сечением. Такая форма оптимизирует крутильную жесткость при минимальной массе лопасти. Широкое распространение получают также лопасти интегрированной безлонжеронной конструкции [5].

Основные преимущества композитных лопастей связаны с их повышенной удельной прочностью (соотношение прочности к плотности материала). Важный фактор также – особенность разрушения армированных композитов. В отличие от металлов, в которых микротрещина обычно растет лавинообразно, в композитах локальное повреждение (разрыв волокна) не вызывает мгновенного разрушения. Связующее (матрица) перераспределяет напряжения на соседние волокна, локализуя дефект в микрообъеме, что существенно повышает усталостную долговечность.

Применение сферопластиковых заполнителей в сэндвич-конструкциях из стекло- или углепластика в условиях с предельными влажностно-температурными, электро- и теплофизическими свойствами, а также физико-механическими характеристиками позволяет упрочнить сотовые элементы. Сферопластики представляют собой в основном композиции холодного отверждения или подвергающиеся эндотермическому воздействию, что позволяет за один технологический этап проводить работы по повышению прочности, жесткости в зонах установки крепежа, для заделки торцевых участков, заполнения различных полостей, закрепления электротехнических кабелей, жгутов провода противообледенительной системы (ПОС) и т. п. Такие характеристики сферопластиков, как прочность и низкое набухание в воде, позволяют распределять действующие на деталь нагрузки с подтверждением требуемого уровня свойств. Заполнители из сферопластика можно применять для защиты от химических, коррозионных, механических и других видов воздействий [6].

Применяемая в настоящее время в конструкции лопастей несущего и рулевого винтов вертолетной техники мастика характеризуется повышенной коррозионной агрессивностью к металлам и низкой технологичностью. Взамен мастики требуется создание материала, который будет обладать необходимым уровнем механических свойств, небольшой плотностью, технологичностью и сниженной коррозионной агрессивностью.

В данной статье приведен обзор современных ПКМ и полимерных заполнителей, применяемых в лопастях вертолетов в РФ и мире, а также перспективы их развития.

Результаты и обсуждение

Вертолет – это винтокрылый летательный аппарат, где лопасти являются частью крупной динамической системы, называемой ротором, которая предназначена для обеспечения подъемной силы, тяги и управления [7]. Безопасность вертолета в значительной степени зависит от ротора и лопастей. С точки зрения конструкции лопасть представляет собой непрерывный несущий элемент, у которого четко определены направления главных осей напряжения. Наибольшее напряжение в лопасти возникает от действия центробежных сил и направлено вдоль ее длины [8]. Во время полета лопасти испытывают сжимающие цикличные нагрузки.

В вертолетостроении все чаще применяют композиционные материалы для проектирования более легких, тихих и безопасных летательных аппаратов. Например, вертолеты Eurocopter EC175 фирмы Airbus, Sikorsky S-76D фирмы Sikorsky полностью оснащены композитными лопастями несущего винта, вертолет UH-60M Blackhawk фирмы Sikorsky имеет широкохордную лопасть несущего винта полностью из ПКМ, конвертоплан V-22 Osprey фирм Bell Helicopter и Boeing Rotorcraft Systems сделан почти полностью из композиционных материалов (угле- и стеклопластиков на основе эпоксидных связующих) [9]. Для лопастей вертолета Airbus H145 фирмы Airbus Helicopters используют стеклянные ткани для несущего винта. Материал обеспечивает хорошую прочность и геометрическую форму длинных лопастей нового вертолета [10]. У вертолета S-64 Skycrane фирмы Erickson Inc. металлические лопасти заменены на композиционные из угле- и стеклопластиков [11].

Раньше вертолеты, например, такие как Bell 47 фирмы Bell Aircraft, оснащались лопастями несущего винта из дерева. Прочность и гибкость древесины сделали ее идеальным материалом для первых конструкций лопастей. Однако древесина легко повреждалась птицами, пылью, камнями и осадками, что приводило к сильным вибрациям из-за разбалансировки несущей системы. По мере развития отрасли лопасти стали изготавливать из металлов. Использование металлов решило некоторые проблемы, присущие деревянным лопастям, но возникли другие. Деформационное разрушение металлических конструкций привело к тому, что срок службы лопастей несущих винтов стал ограниченным. До этого считалось, что деревянные лопасти могут служить очень долго [12]. Таким образом, металлы заменили древесину, а теперь композиционные материалы заменяют металлы [13].

Современные лопасти несущего винта вертолета изготавливают из различных материалов, включая титан, ПКМ на основе углеродных и стеклянных наполнителей, сталь и алюминий [12].

Следует отметить, что конструкционные металлы (алюминий, сталь и титан) ограничены по величине значений удельной прочности и жесткости. Титан обладает наилучшими механическими характеристиками, но его применение ограничено высокой стоимостью и труднодоступностью. Композиционные материалы на основе эпоксидного связующего, стекло- и углеволокна, а также арамидного волокна имеют более высокие значения удельной прочности и жесткости, что делает их более выгодными и подходящими для применения в конструкции лопастей. По усталостным характеристикам ПКМ также превосходят металлы, что обеспечивает более длительный срок службы лопастей [14].

Использование препрегов для изготовления лопасти предпочтительнее, чем контактное формование, так как качество изготавливаемой детали можно лучше контролировать, хотя препрег стоит дороже [15]. Кроме ручной выкладки в мире широко используются автоматизированные методы ‒Automated Tape Laying (ATL) и Automated Fiber Placement (AFP), применение которых позволяет существенно уменьшить трудоемкость производства и увеличить точность выкладки изделия [16, 17].

В России на раннем этапе развития авиастроения лопасти также выполнялись из дерева, позже их стали изготавливать из стали (для вертолетов Ми-6, Ми-10, Ми-26) и дюралюминия (для вертолетов Ми-2, Ми-24Д, Ми-24В, Ми-24П и др.). Первые лопасти из ПКМ разработаны в 60-е гг. ХХ в. для вертолета Ка-18, в начале 1970-х гг. лопасти несущего винта из ПКМ созданы для вертолета Ка-26. Несколько позже композитные лопасти для несущих винтов легких и средних вертолетов и рулевых винтов разработаны для вертолетов семейства «Ми». Изначально в конструкции лопастей использовали стекло- и углепластики на основе связующих ЭДТ-10П и 5-211Б растворного типа, которые позволяли обеспечить повышенный ресурс лопастей (по сравнению с металлическими) [18, 19].

В настоящее время в РФ для производства лопастей вертолетов активно осваивают материалы на основе связующего расплавного типа марки ВСР-3М. В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ с использованием данного связующего разработана широкая серия материалов на основе высокопрочных углеродных волокон, стеклоровингов, стеклянных и углеродных тканей [20]. Препреги обладают жизнеспособностью не менее 90 сут при температуре 20 °С и контролируемой текучестью, а ПКМ на их основе – высоким уровнем физико-механических свойств и термовлагостойкостью, что позволяет использовать их в сложных климатических условиях. Эти материалы позволили обеспечить более высокие эксплуатационные характеристики и еще больше увеличить ресурс работы лопастей [18, 21, 22].

Тенденции расширения областей применения сферопластиков на основе новых высокопрочных связующих в многослойных композитах с обшивками из угле- или стеклопластика, демонстрирующих высокие физико-механические, диэлектрические и теплофизические свойства в различных условиях эксплуатации, включая воздействие высоких температур и повышенной влажности, описаны в научно-технических источниках [23–25].

В АО «НЦВ Миль и Камов» совместно с ПАО «Роствертол» и ПАО «КВЗ» активно осваивают новый класс материалов на основе расплавного связующего, а также внедряют в производство различные технологии изготовления лопастей из ПКМ. Лопасти проектируют с использованием методов компьютерного моделирования, изготавливают методами автоматизированной спиральной намотки, ручной и автоматизированной выкладки, а также отрабатывают технологии формования лопасти целиком в специальной пресс-форме, проводят испытания на усталость и методами неразрушающего контроля [26].

Современная лопасть вертолета с применением ПКМ представляет собой многослойную композицию, как правило, включающую:

– лонжерон – основную силовую конструкцию лопасти, которая выполняется из высокопрочного высокомодульного стеклопластика, гибридного ПКМ или углепластика с основным направлением волокон вдоль длины лопасти, а также с укладками [±45, 0, 90]; [0, 90, 90, 0]; [0, ±45, 0]; [60, 0, 60]. Для противостояния скручиванию лонжерон может быть армирован слоями с укладкой [±45];

– обшивку с многослойной укладкой в разных направлениях [±45; 0; 90] для восприятия крутящих и изгибающих нагрузок;

– заполнитель (например, на основе арамидной бумаги, алюминия или пенопласта), обеспечивающий жесткость при минимальной массе;

– элементы молниезащиты (медные сетки, проводящие ленты);

– встроенные системы подогрева для предотвращения обледенения, которые содержат ПОС лопастей несущего и хвостового винта, систему обогрева лобовых стекол вертолета, обтекателей воздухозаборников и входных устройств двигателя. Противообледенительная система винтов и стекол основана на электротепловом принципе действия, воздухозаборников двигателей – на воздушно-тепловом, несущего или рулевого винта с полимерным заполнителем ‒ например, на основе токопроводящих жил, залитых заполнительной мастикой;

– титановые или композитные элементы крепления к втулке винта.

Такое сочетание позволяет не только оптимизировать массу, но и повысить устойчивость к усталостным разрушениям и вибрациям.

Бо́льшая часть объема лопасти состоит из сотового или пенопластового заполнителей (в некоторых частях лопасти ‒ совместно с другими материалами) для обеспечения прочности и жесткости. Внедрение заполнителей существенно улучшило конструкцию лопасти и срок ее службы [12]. Передняя кромка защищена оковкой из коррозионностойкой стали или титанового сплава [27].

Один из вариантов конструкции лопасти приведен на рис. 1 [12].

Рис. 1. Типовой вариант конструкции лопасти несущего винта вертолета

Существует также безлонжеронная конструкция лопасти [5, 26, 28], которая позволяет изготавливать ее за один технологический цикл, т. е. не требуется приклеивать отдельно обшивки и другие элементы. При такой схеме в качестве заполнителя используется предварительно сжатый на 2‒5 % пенопласт, что позволяет создать необходимое давление на внутренние слои препрега для формования ПКМ. Снаружи давление создается за счет смыкания пресс-формы (рис. 2).

Рис. 2. Схема оснастки для формования лопасти безлонжеронной конструкции (а) и фрагмент изготовленной лопасти (б)

Требования к лопастям отражают, как правило, требования ко всему летательному аппарату и могут быть сведены к следующему [29]:

– необходимо сочетание высокой удельной прочности и жесткости, а также высокое сопротивление усталости;

– важно снижать массу вертолета для увеличения полезной нагрузки и/или повышения летных характеристик;

– для обеспечения безопасности конструкции материалы должны иметь высокие запасы прочности;

– лопасти должны быть устойчивы к ударным нагрузкам ‒ например, к столкновению с птицами;

– проявлять эрозионную стойкость ‒ лопасти вращаются в воздухе с высокой скоростью, в результате чего частицы, содержащиеся в воздухе (пыль, песок и т. д.),  являются абразивом. Эрозионное воздействие особенно сильно проявляется при взлете и посадке, когда потоки воздуха поднимают с земли частицы, поэтому для передних кромок лопастей следует использовать абразивостойкие материалы;

– коррозионностойкие материалы позволяют сократить расходы на техническое обслуживание и увеличить запас прочности для используемого материала;

– необходимо обеспечить надежную конструкцию при минимальных затратах, снизив стоимость за счет автоматизации процесса  и сократив затраты на техническое обслуживание;

– повысить износостойкость ‒ срок службы лопастей существенно влияет на эксплуатационные расходы, поэтому его необходимо увеличивать для экономической эффективности и сокращать затраты на обслуживание. Срок службы также сокращается из-за усталостного воздействия эрозии и коррозии;

– в конструкции должны быть предусмотрены молниезащита и противообледенительная защита. На рис. 3 и 4 приведены типовые схемы расположения нагревательной накладки и нагревательных элементов лопастей вертолетов.

Рис. 3. Нагревательная накладка лопасти несущего винта, состоящая из слоев стекло- или углеткани, жил силовых проводов нагревательного элемента и заполнителя

Рис. 4. Схема размещения секций (1‒4) нагревательных элементов несущего (а) и рулевого (б) винтов (схема из открытых источников)

Применяемый в настоящее время в конструкции ПОС герметизирующий заполнитель  на основе полисульфидного олигомера и эпоксидной смолы способен вызывать образование коррозионных поражений на поверхности металлического нагревательного элемента, а также сопряженных металлических деталей, находящихся в контакте с ним. Данные образования могут являться центрами развития коррозии, а вследствие того, что металлические детали контактируют также с конструкциями из углепластика, может наблюдаться интенсивное развитие коррозионных поражений.

Использование полимерного заполнителя на основе микросфер из-за специфики его состава и свойств позволит снизить концентрационные напряжения и коррозионное воздействие. Такой заполнитель обладает химической стойкостью и инертностью, пониженной пожароопасностью, повышенной стойкостью к растрескиванию, улучшенным сопротивлением материала разрушению под влиянием атмосферных воздействий и влаги [30]. Сниженная коррозионная агрессивность ‒ один из основных параметров из-за непосредственного контакта материала с системой ПОС. Плотность материала должна находиться в конкретном диапазоне значений для создания однородности конструкции и необходимых аэродинамических характеристик лопастей.  Материал должен обеспечивать возможность изготовления накладки с ПОС за единый технологический цикл и минимизировать количество дефектов, возникающих во время формования изделия. Так, высокое сопротивление наполненных материалов разрушению, обеспечивающее прочность деталей при различных силовых воздействиях и снижение коррозии за счет отсутствия серных групп полисульфидного каучука и нейтральности среды, должно значительно увеличить регламентное время налета несущих и рулевых лопастей.

Внедрение современных материалов в летательные аппараты с системой ПОС обеспечит поддержание регулярного авиационного сообщения, в том числе в регионах с суровым климатом: Новосибирской области, Красноярском и Камчатском краях, Ямало-Ненецком и Ханты-Мансийском автономных округах.

Коррозия ‒ это серьезная проблема для металлических конструкций, особенно при эксплуатации вертолетов в морском климате. Соленая вода агрессивна к металлам, в отличие от композиционных материалов, однако для последних требуется использовать водо- и влагостойкие связующие [29]. В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработана серия препрегов на основе тепловлагостойких связующих [31, 32].

Однако ПКМ, в отличие от металлов, не имеют высокой устойчивости к эрозионному воздействию, так как являются более «мягкими» материалами. Поэтому передние кромки лопастей, уязвимые для эрозионного воздействия, можно покрыть металлической кромкой, что обеспечит требуемую защиту [13].

Один из способов решения данной проблемы описан в патенте фирмы Bell Helicopter [33] на лопасти вертолетов из ПКМ, которые обладают рядом особенностей, повышающих их надежность с одновременным уменьшением массы. В данном изобретении также описана уникальная технология выкладки волокон, которая позволяет максимально повысить сопротивление усталости конструкции.

В лопастях для перспективных вертолетов потребуются еще более высокие упруго-прочностные характеристики используемых в них материалов [34], в том числе с повышенной прочностью и жесткостью для увеличения порога флаттера и восприятия увеличенных центробежных и крутильных нагрузок.

Увеличения упруго-прочностных характеристик ПКМ можно добиться, используя перспективные наполнители. Анализ различных типов углеродных наполнителей, используемых в ПКМ, показал, что такими наполнителями могут являться среднемодульные или выскомодульные углеродные волокна и гибридные ПКМ с использованием таких волокон, так как они обладают оптимальным соотношением значений прочности и модуля упругости.

Соотношение прочности и модуля упругости при растяжении для отечественных и зарубежных типов углеродных наполнителей показано на рис. 5.

Модуль упругости у среднемодульных углеродных волокон больше на 10–15 %, чем у высокопрочных волокон, а прочность, как правило, выше на 5–10 %.

Рис. 5. Соотношение прочности и модуля упругости российских и зарубежных углеродных наполнителей

Среднемодульные углеродные волокона имеют также ряд преимуществ по сравнению с высокомодульными [34–36].

‒ Лучшая ударная прочность и устойчивость к повреждениям.

Полимерные композиционные материалы на основе среднемодульных волокон обладают большей вязкостью разрушения, т. е. они менее хрупкие, чем ПКМ на основе высокомодульных волокон. Это критично для авиации, где возможны ударные нагрузки (птицы, обломки, посадка в пыльной среде). Для лопастей вертолетов важными характеристиками являются сопротивление микроповреждениям и способность материала не разрушаться мгновенно при сколах или ударах, что повышает безопасность полетов.

‒ Более высокая длительная прочность.

Полимерные композиционные материалы на основе среднемодульных волокон демонстрируют лучшую длительную прочность при циклическом нагружении, что критично для вертолетных лопастей, находящихся в условиях постоянных вибраций и переменных изгибающих/центробежных нагрузок. Высокомодульные волокна более чувствительны к накоплению микротрещин в полимерной матрице и расслоению.

‒ Более высокая межслоевая прочность в композите за счет более сбалансированной жесткости.

Полимерные композиционные материалы на основе среднемодульных волокон обеспечивают лучшее сцепление между слоями и с полимерной матрицей, что снижает вероятность расслоения под нагрузкой.

‒ Лучшие технологические характеристики.

Полимерные композиционные материалы на основе среднемодульных волокон менее чувствительны к термическим и механическим дефектам при обработке: они проще в резке, укладке, автоклавной обработке. Высокомодульные волокна могут быть хрупкими при укладке, трескаться при радиусных изгибах, что усложняет производство лопастей сложной аэродинамической формы.

‒ Стоимость и доступность.

Среднемодульные волокна значительно дешевле высокомодульных, особенно в массовом производстве. Высокомодульные волокна (например, фирм Mitsubishi K13D2U и Toray M60J) в 2–5 раз дороже и чаще применяются только в космических летательных аппаратах, спутниках, радиопрозрачных антеннах и специализированных военных изделиях.

‒ Оптимальный баланс «жесткость – масса – прочность».

В конструкции лопастей критичен не максимум жесткости, а оптимальное соотношение массы, прочности и сопротивления вибрациям. Избыточная жесткость высокомодульных волокон может привести к локальным перегрузкам и снижению виброустойчивости конструкции.

Таким образом, среднемодульные углеродные волокна (например, Toray T800H, Hexcel IM7, Umatex UMT55S) ‒ это наиболее рациональный выбор для большинства авиационных изделий, в том числе при изготовлении лопастей вертолета. Они обеспечивают:

– высокую прочность и достаточную жесткость;

– долговечность в условиях циклических нагрузок;

– хорошую технологичность;

– снижение риска хрупкого разрушения;

– приемлемую стоимость.

Высокомодульные волокна применяются точечно, например, в элементах с повышенной жесткостью и строго заданными деформациями (жесткие лонжероны антенн, космические панели), но в лопастях вертолетов они практически не используются из-за вышеописанных рисков и избыточной жесткости.

Гибридные композиты на основе стеклянных и углеродных волокон представляют собой уникальные материалы, в которых синергия свойств превосходит ограничения по отдельным волокнам. Путем оптимизации соотношения компонентов, схем распределения (послойное/внутрислойное смешение) и методов переработки можно достичь баланса механических характеристик, функциональности и экономической эффективности [32, 37]. В статье [38] показано, что гибридизация внутри одного слоя материала обеспечивает более высокую прочность при растяжении и сжатии, чем послойная гибридизация.

Заключения

Использование ПКМ в конструкции лопастей вертолетов позволяет достичь значительного повышения прочностных и аэродинамических характеристик при одновременном снижении массы. Углепластики обеспечивают высокую жесткость и прочность, стеклопластики повышают ударную вязкость и снижают себестоимость, препреги позволяют реализовать сложную геометрическую форму и контролировать качество на этапе изготовления, а полимерные заполнители на основе микросфер повышают прочность и жесткость панелей сотовых конструкций в зонах установки крепежа, а также служат для заделки торцевых участков, заполнения различных полостей, закрепления электротехнических кабелей и жгутов провода ПОС. Внедрение ПКМ способствует росту ресурса лопастей, уменьшению эксплуатационных затрат и повышению безопасности полетов.

В ближайшем будущем ожидается дальнейшее развитие технологий производства композитных лопастей, включая компьютерное моделирование конструкций, автоматизированные методы выкладки, формование интегрированной конструкции за один технологический цикл, а также использование новых типов наполнителей и полимерных заполнителей с пониженной коррозионной агрессивностью.