Введение

Область применения конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе препрегов (предварительно пропитанных связующим волокон армирующего наполнителя) является одной из самых перспективных в авиа- и вертолетостроении. В настоящее время доля ПКМ в конструкциях вертолетов может достигать 50%, и производители стремятся ее увеличить [1].

Для изготовления лопастей вертолетов, как одних из наиболее нагруженных деталей, в ВИАМ разработан ряд перспективных материалов, в том числе стеклопластиков и гибридных стеклоуглепластиков для изготовления лонжеронов, а также листовых органотекстолитов, используемых в качестве обшивок хвостовых отсеков сотовой конструкции [2–4].

В настоящее время ведущие зарубежные и отечественные разработчики ПКМ ведут исследования, направленные на создание материалов и технологий, позволяющих снизить затраты при изготовлении изделий из ПКМ [5].

Листовые органотекстолиты, используемые в настоящее время в качестве обшивок хвостовых отсеков, являются наиболее легкими и прочными материалами, способными противостоять воздействию динамических нагрузок на лопасть несущего винта (ЛНВ) вертолета, возникающих в полете [6].

Тем не менее в связи с высокой стоимостью органотекстолитов создателями вертолетной техники была поставлена задача разработать более дешевый листовой стеклопластик, который по весовым характеристикам (поверхностной плотности), прочности и стойкости к циклическим нагрузкам не уступает Органитам, а также обладает повышенной климатической стойкостью [7]. Попытки решить эту проблему простой заменой органотекстолитов на стеклотекстолиты с различными схемами укладки слоев ([0°, 90°, 90°, 0°] и [0°, ±45°, 0°]) не увенчались успехом. На рис. 1 изображен разрушенный хвостовой отсек с обшивками из препрега марки КМКС-2м.120.Т-64(ВМП).30 со схемой армирования [0°, ±45°, 0°], выдержавший ˂1 млн циклов. 

Рис. 1. Разрушение отсека с обшивками из препрега марки КМКС-2м.120.Т-64(ВМП).30

Разрушение вызвано недостаточной стойкостью стеклотекстолитов к возникновению и быстрому прорастанию «краевой» усталостной трещины, которая возникает на обшивках отсеков в плоскости задней стенки лонжерона от вертикальных перемещений лопасти в процессе прохождения полного оборота. По-видимому, узлы пересечений нитей утка и основы стеклотканей провоцируют образование усталостных трещин в обшивках и последующее разрушение отсеков.

Материалы и методы

Для поиска оптимального варианта конструкции обшивки проведен анализ возможных вариантов армирования пластика обшивки и рассмотрены альтернативные материалы, в том числе однонаправленные ПКМ. Известно, что однонаправленные стеклопластики имеют высокую удельную ударную вязкость и усталостную прочность при изгибе в направлении, поперечном армированию, так как не имеют пересечений волокон наполнителя в пределах монослоя как у стеклотекстолитов. Кроме того, практика применения однонаправленных стеклопластиков [8] в качестве стопперов усталостных трещин в слоистых конструкциях авиационной техники показывает их эффективность. Исходя из этих фактов было принято решение применить однонаправленный стеклопластик в качестве одного из армирующих слоев в составе материала обшивки.

Известно, что поверхностную плотность наполнителя в однонаправленных препрегах можно регулировать плавно и в широком диапазоне, используя жгутовые наполнители различной линейной плотности и изменяя шаг их распределения по ширине препрега. В данном случае, когда поверхностная плотность обшивки была задана изначально, не представляло сложности провести расчет допустимой поверхностной плотности наполнителя и связующего в препреге, далее подобрать стеклоровинг по линейной плотности и определить шаг его распределения по ширине препрега. Конструктивно-технологическое решение изготовления материала обшивки тогда будет основываться на «ключевой» операции – изготовлении однонаправленного стеклопрепрега с расчетными поверхностными плотностями наполнителя и связующего. При этом препрег будет является «носителем» связующего для пропитки всего объема наполнителя обшивки (стеклоровинг+два слоя ткани Т-64(ВМП)) и обеспечит объемное содержание наполнителя 48–52% – оптимальное для стеклопластиков. Таким образом, из технологической цепочки изготовления обшивки будет исключена дорогостоящая операция изготовления препрега на основе стеклоткани. Пропитка стеклоткани будет происходить во время формования пластика – по аналогии с пленочной технологией изготовления ПКМ, известной как метод RFI [9]. Применение такой технологии значительно сократит издержки производства и обеспечит получение материала обшивки с требуемыми прочностными и эксплуатационными характеристиками.

Исходя из предварительных технических требований к материалу (табл. 1), выдвинутых разработчиком изделия, рассчитывали весовые характеристики однонаправленного препрега таким образом, чтобы суммарная поверхностная плотность получаемого пластика, включая стекловолокно, связующее и два слоя сухой ткани Т-64(ВМП), не превышала заданную: 580 г/м².

Таблица 1

Предварительные технические требования к материалу обшивок

Поверхностную плотность связующего в однонаправленном препреге рассчитывали таким образом, чтобы связующего было достаточно для пропитки двух сухих слоев стеклоткани, при этом содержание связующего в отформованном пластике должно быть в пределах 31–35%. Далее провели расчеты весовых характеристик однонаправленного препрега, которые представлены в табл. 2.

Таблица 2

Расчетные характеристики однонаправленного препрега

Специфика работы материала обшивок в составе хвостовых отсеков лопасти вертолета предполагает непредсказуемость критического параметра статической и/или динамической прочности материала, который смог бы быть определяющим при выборе схемы армирования. Оптимальная схема армирования может быть выбрана только после проведения динамических испытаний обшивки в составе хвостового отсека в условиях, приближенных к реальной работе конструкции. Для сокращения количества вариантов схем армирования и объема испытаний для предварительных динамических испытаний выбрали два альтернативных по свойствам материала:

– вариант 1 имеет преимущества по прочности при сдвиге в плоскости листа;

– вариант 2 имеет преимущества по прочности и модулю упругости в направлении [90°].

Прогнозируемые свойства двух вариантов представлены в табл. 3.

Таблица 3

Альтернативные варианты схем армирования обшивок и

расчетный уровень их свойств

Для пропитки препрега выбрали клеевое связующее ВСК-14-2мР.120 как наиболее технологичное для пропитки однонаправленных наполнителей на расплавной пропиточной установке BL-2800 [10, 11]. Для изготовления препрега использовали ровинг марки РВМПН-10-600-14 на основе стекла марки ВМП. Далее из полученного препрега методом автоклавного формования [12] изготовили опытные образцы «гибридного» стеклопластика с выбранными схемами укладки слоев. Для изготовления опытных образцов выбрали метод автоклавного формования в связи с тем, что менее дорогой и энергоемкий метод вакуумного формования не позволил бы получить образцы с заданными весовыми, прочностными характеристиками и толщиной, а также с низкой пористостью [13–15].

Результат

В процессе отработки сборки заготовок обшивок установлено, что обшивки, собранные по варианту 2, наиболее предпочтительны как с точки зрения расхода стеклоткани Т-64, так и трудоемкости сборки. Далее провели оценку свойств обшивок на соответствие техническим требованиям (см. табл. 1). Характеристики пластиков представлены в табл. 4.

Таблица 4

Характеристики двух вариантов пластика обшивок

Видно, что у пластика, изготовленного по варианту 2, значения прочности существенно превышают аналогичные значения у пластика, изготовленного по варианту 1.

Образцы обшивок передали Заказчику для оценки стойкости при воздействии циклических нагрузок в составе конструкций хвостовых отсеков.

Предварительные испытания показали, что оба варианта обшивок выдерживают назначенный ресурс 2·10⁶ циклов без разрушения отсеков, но в обшивках, изготовленных по варианту 1, наблюдалось образование трещин  вдоль направления [0°] – направления волокон стеклоровинга (рис. 2). Таким образом, для дальнейших испытаний выбрали обшивки, изготовленные по варианту 2.

Рис. 2. Образование усталостной трещины в обшивке, изготовленной по варианту 1

Далее изготовили и передали Заказчику две опытные партии обшивок для проведения зачетных стендовых и летных испытаний. Проведенные стендовые испытания подтвердили, что разработанный «гибридный» стеклопластик в качестве обшивок показывает стабильную стойкость к образованию трещин и выдерживает количество циклов в 2–3 раза большее, чем назначенный ресурс.

Разработанному стеклопластику присвоена марка ВПС-53К, на него оформлены технические условия ТУ1-595-1496–2015, где зафиксированы его следующие технические характеристики:

– толщина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,35±0,05 мм;

– масса 1 м² . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525–578 г;

– предел прочности при растяжении в направлении

[0º] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720 МПа;

[90º] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 МПа;

– максимальный габарит листов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460×920 мм.

В настоящее время во ФГУП «ВИАМ» проводятся комплексные испытания стеклопластика ВПС-53К в объеме общей квалификации, а также осваивается его серийное производство для использования в отрасли.

Обсуждение и заключения

В результате исследований разработан «гибридный» стеклопластик для обшивок хвостовых отсеков лопастей вертолетов с оптимальной укладкой слоев стеклоткани и препрега. Стеклопластик показал высокий уровень механических свойств, стабильную стойкость к образованию трещин и полностью соответствует техническим требованиям Заказчика. Использование данного материала позволит сократить стоимость производства обшивок при сохранении их эксплуатационных качеств.

После завершения испытаний в объеме общей квалификации «гибридный» стеклопластик марки ВПС-53К может быть рекомендован для проведения летных испытаний и дальнейшего внедрения в конструкцию лопасти вертолета.