Введение

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 17.2. «Разработка стеклопластика на основе ткани с низкой поверхностной плотностью и пожаробезопасного быстроотверждаемого связующего ВСФ-16М» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

Снижение массы конструкции как инструмент повышения экономической эффективности летательных аппаратов является одной из приоритетных задач развития современной авиационной техники. В решении данной проблемы при создании самолетов все более широкое применение находят полимерные композиционные материалы (ПКМ). Стратегия развития до 2030 года предусматривает создание ПКМ нового поколения [2], отвечающих требованиям, предъявляемым к современной авиационной технике. В настоящее время в РФ предусмотрено создание нового семейства ближне-среднемагистральных самолетов, и одной из важнейших задач при проектировании пассажирских салонов самолетов является создание системы кондиционирования воздуха (СКВ).

Система кондиционирования воздуха – одна из главных бортовых систем жизнеобеспечения, которая предназначена для обеспечения нормальных условий жизнедеятельности пассажиров и экипажа, поддержания необходимых параметров воздуха в кабине и салоне, охлаждения радиоэлектронного оборудования во всем диапазоне режимов полета (при полетах в различных климатических условиях) [3, 4].

Основные требования к работе СКВ и ее подсистем сводятся к следующему:

– должна обеспечивать заданные значения по давлению, влажности и газовому составу воздуха в кабине на всех режимах полета и на земле независимо от внешних климатических условий;

– температура воздуха в кабине экипажа и в пассажирских салонах самолета должна задаваться и управляться независимо;

– должна предусматриваться возможность обогрева и охлаждения кабин на земле без запуска двигателей с помощью бортовых и наземных устройств;

– на самолетах с продолжительностью полета больше 2 ч необходимо предусматривать систему увлажнения для поддержания относительной влажности в кабине не менее 25%.

В основе проектирования воздухопроводов СКВ лежат следующие положения:

– разработка материалов, отвечающих требованиям АП-25 (FAR-25) [5], – должны быть самозатухающими при испытаниях в вертикальном положении; средняя длина обугливания не должна превышать 203 мм, а средняя продолжительность горения после удаления источника воспламенения не должна превышать 15 с; отделяющиеся от испытуемого образца капли не должны гореть после падения в среднем более 5 с;

– минимальная масса и высокая надежность при эксплуатации в течение всего технического ресурса самолета;

– геометрические размеры (диаметр и конфигурация) должны обеспечивать допустимое гидравлическое сопротивление;

– применение современных технологий при изготовлении и монтаже; обеспечение компенсации температурного расширения и деформации мест крепления на летательном аппарате, герметичности воздухопровода;

– разработка технологий изготовления материала (полуфабриката) и конструкции из него, при этом технологии должны быть энергосберегающими с низкой трудоемкостью.

Совершенствование СКВ и обеспечение с их помощью комфортных условий в современных пассажирских самолетах во время полета входят в число важнейших факторов, определяющих конкурентоспособность самолета.

Материалы и методы

Современные ПКМ [6, 7], а также конструкции и изделия из них (трехслойные панели [8, 9], монолитные пластики и т. д.) находят широкое применение в авиастроительном комплексе всего мира благодаря таким качествам, как высокая прочность, коррозионная стойкость и низкая плотность. На мировом рынке композитов лидируют США, Европа, Япония и Китай. За рубежом объем использования ПКМ в конструкциях современных самолетов достигает 50% по массе, например Boеing 787 (США) – 50%, Airbus A-380 (Европа) – 30%, Airbus A-350 (Европа) – 50%.

В настоящее время при проектировании летательных аппаратов в их конструкцию закладываются сложно профилированные воздуховоды низкого давления – тройники, трубы, патрубки и т. п. (рис. 1), что обусловлено экономией места. Данные элементы в РФ изготавливают в основном из металлических материалов, однако большая трудоемкость их изготовления, энергозатратный процесс, необходимость снижения массы самолета и коррозия таких элементов в процессе эксплуатации заставляют разработчиков современной авиационной техники искать материалы с более низкой плотностью, которые обеспечивают необходимые эксплуатационные требования к конструкции СКВ. ПКМ – ввиду особенностей технологии их изготовления [10, 11] – позволят сократить трудоемкость и энергоресурсы при изготовлении изделий. Кроме того, меньшая плотность позволит увеличить весовую эффективность конструкций. У ПКМ, в отличие от металлов, отсутствует коррозия.

Рис. 1. Сложнопрофильные элементы воздуховодов

На пассажирских самолетах общая длина воздухопроводов СКВ достигает нескольких сот метров, а масса 500–600 кг, что составляет 40–50% массы всей системы. Воздуховоды СКВ располагаются в гондолах двигателей, центроплане, проходят по пассажирским салонам и кабине экипажа.

Рис. 2. Элементы воздуховода низкого давления системы кондиционирования воздуха из ПКМ

Как упоминалось ранее, в РФ до настоящего времени элементы СКВ изготавливают из металлов или импортных ПКМ. Это объясняется тем, что в нашей стране разработка ПКМ для сложнопрофилированных воздуховодов низкого давления СКВ в последние десятилетия не проводилась, а разработанные ранее полимерные материалы не отвечают постоянно ужесточающимся требованиям АП-25, а также имеют длительный цикл изготовления. Ведущие мировые производители авиационной техники (Boeing, Airbas) применяют в конструкции СКВ в основном ПКМ (рис. 2).

Результаты

Для снижения массы сложнопрофильных воздуховодов низкого давления СКВ необходимо применение материалов с низкой плотностью. Кроме того, в системе СКВ наряду с толстостенными сложнопрофильными элементами присутствуют и тонкостенные, для изготовления которых необходим армирующий наполнитель с низкой поверхностной плотностью– не более 120 г/м², обеспечивающий нужную толщину и герметичность. В табл. 1 представлены для сравнения основные характеристики стекло-тканей, применяемых в качестве наполнителей стеклопластиков, отечественных и зарубежных производителей.

Таблица 1

Основные характеристики стеклонаполнителей
отечественных и зарубежных производителей

Видно, что прочностные показатели отечественных стеклотканей не уступают свойствам зарубежных аналогов.

Главным преимуществом металлических сплавов перед ПКМ до недавнего времени были пожаробезопасные свойства, которые обеспечиваются в ПКМ полимерной матрицей (связующим). Для получения стеклопластиком свойств, отвечающим требованиям АП-25, Приложение F, Часть 1, необходимо провести выбор связующего. В настоящее время за рубежом выпускают много марок пожаробезопасных связующих, однако для импортозамещения в самолетостроении необходимы отечественные связующие. Во ФГУП «ВИАМ» создано новое поколение пожаробезопасных фенолформальдегидных связующих [12, 13] марок РС-Н и ВСФ-16М, а также разработаны стеклопластики на их основе. В табл. 2 представлены сравнительные характеристики импортных и отечественных связующих.

Таблица 2

Сравнительные характеристики импортных и отечественных
связующих и стеклопластиков на их основе

Сравнительный анализ показывает, что разработанные отечественные связующие по своим показателям не уступают зарубежным аналогам.

Для формирования свойств конкурентоспособного низкопористого стеклопластика [14] для изготовления воздуховодов низкого давления СКВ необходимо провести сравнение характеристик отечественных и зарубежных аналогов [15, 16]. В табл. 3 показаны сравнительные характеристики стеклопластиков отечественного и зарубежного производства.

Таблица 3

Сравнительные характеристики отечественных и зарубежных препрегов
и стеклопластиков на их основе

Видно, что основное отличие между отечественным и зарубежными аналогами – длительный режим формования стеклопластика. Анализ основных характеристик материалов создает перспективу разработки конкурентоспособной продукции для СКВ. Планируется провести работу по разработке материала на основе пожаробезопасного связующего и стеклоткани с низкой поверхностной плотностью, что отвечает предъявляемым к воздуховодам низкого давления СКВ требованиям. Основные характеристики разрабатываемого материала в сравнении с аналогами показаны в табл. 4.

Таблица 4

Основные характеристики разрабатываемого материала в сравнении с аналогами

Предел прочности при сжатии разрабатываемого стеклотекстолита будет превосходить аналогичную характеристику российского аналога – стеклопластика марки ВПС-19 – на 25%, цикл формования разрабатываемого стеклопластика будет короче в 2–3 раза. Время отверждения у разрабатываемого стеклотекстолита будет на 25% меньше, чем у зарубежного.

Обсуждение и заключения

Анализ источников литературы отечественных и зарубежных материалов для изготовления воздуховодов низкого давления СКВ в летательных аппаратах показал, что разработка конкурентоспособного стеклопластика на основе ткани с низкой поверхностной плотностью и пожаробезопасного быстроотверждаемого связующего для изготовления элементов воздуховодов низкого давления систем кондиционирования воздуха являются крайне востребованной задачей. Для авиастроения решение данной задачи позволит обеспечить современным пассажирским самолетам конкурентоспособность в сравнении с зарубежными аналогами при высокой эксплуатационной надежности и комфорте пассажиров.