На новоиспеченном отечественном самолете МС-21 используется крыло, изготовлен из углепластика. Это первый случай не только для гражданской авиации России, но и для среднемагистральных лайнеров во всем вселенной. Мы решили разобраться, какие выгоды дает эта новая технология в авиастроении и почему она раньше не использовалась для подобного класса воздушных судов.
Композиты сделались в настоящее время мировым трендом авиастроения. В каждой новой марке гражданского лайнера их использование постоянно увеличивается. Самолеты Boeing 787 и Airbus 350XWB вяще чем наполовину состоят не из металла. Однако в 1990-2000-х годах существовало устойчивое мнение, что композиты выгодно использовать только на больших летательных аппаратах — дальнемагистральных широкофюзеляжных лайнерах. Почиталось, что только тогда эффект от применения этих новых, но достаточно дорогих (на тот момент) конструкционных материалов даст положительный экономический эффект. Для немного крупных, хотя и существенно более массовых узкофюзеляжных самолетов композиты применялись только для изготовления элементов механизации крыла, обтекателей и лючков.
В проекте МС‑21 конструкторы корпорации «Иркут» разрешили показать, что сейчас на дворе уже другое время. И использование, например, композита для изготовления крыла среднемагистрального самолета, каким является МС‑21, даст существенный выигрыш разом по нескольким параметрам, включая и суммарную стоимость лайнера.
«Это был комплексный подход, просчитывался эффект сразу по многим параметрам, — говорит технический директор — директор департамента развития индустриальной модели ОАК Юрий Тарасов. — После изучения итого спектра существующих технологий, этапов математического моделирования и натурных испытаний элементов конструкции, получения экспертных оценок институтов, экономических расчетов был сделан решительный выбор в пользу углепластикового крыла, изготовленных методом вакуумной инфузии, без использования автоклавов».
Удлинение
Использование углепластика в конструкции позволило изготовить для МС‑21 покрывало, которое имеет большую длину и тонкий профиль, а следовательно — более низкое лобовое сопротивление. С толщиной все просто: чем крыло тоньше (при сохранении иных параметров), тем меньше аэродинамическое сопротивление при нулевой подъемной силе.
А вот удлинение крыла (отношение размаха крыла к средней хорды крыла) воздействует на другую составляющую лобового сопротивления — индуктивное сопротивление, создаваемое срывающимся с конца крыла вихрем. Этот тип сопротивления вносит существенный лепта при полете на малой скорости. Если бы крыло самолета было бесконечным, то индуктивное сопротивление было бы. Но это идеальный случай. В жизни с индуктивным сопротивлением бьются нибудь, устанавливая вертикальные законцовки крыла (всевозможные винглеты, шарклеты и тому подобное), или увеличивая длину крыла.
Удлинение у крыла из алюминия на лайнерах старых поколений было в районе 8-9. «Сделать крыло дольше не получалось, ведь алюминий — мягкий металл, и чтобы крыло с него не выгибалось под поступком полетных нагрузок, другими словами, для обеспечения его жесткости, пришлось бы увеличивать толщину крыла, — объясняет Юрий Тарасов. — В итоге такое алюминиевое крыло получилось бы такой толщины, что его аэродинамическое сопротивление съело бы весь выигрыш от большого удлинения. А вот углепластик — более жесткий материал. Потому крылья из него могут иметь удлинение и 10, и 11, и даже больше».
Для углепластикового крыла МС‑21 удалось достичь удлинения 11,5. Лишь за счет этого аэродинамическое качество выросло на 5-6%. В целом же композитное крыло большого удлинения с тонким профилем позволит МС‑21 добиться снижения расхода топлива до 8% по сравнению с существующими аналогами. За собственный жизненный цикл (около 20 тыс. часов) среднемагистральный самолет с «классическим» алюминиевым крылом сжигает 140 тыс. т горючего. Только за счет «черноволосого крыла» на каждом МС‑21 можно будет сэкономить за тот же налет более 11 тыс. т горючего! Эта цифра станет серьезным аргументом при сравнении МС‑21 с его металлическими одноклассниками».
Легкость
Композиционные материалы обладают также лучшими удельными характеристиками по сравнению с алюминием. Теоретически использование композитов вместо металлов ведет к сокращению массы на 15%. Однако, по суждению экспертов, применение композитов в конструкции Boeing 787 и Airbus 350XWB не привело к изначально от ожидаемого снижения их массы. «Сегодняшние реалии таковы, что вес конструкции этих аэропланов остался таким же, как если бы они были сделаны из металла, — говорит директор ЦАГИ Сергей Чернышев. — Главная причина в том, что в авиастроительных компаний не было тогда достаточных знаний для проектирования композитных конструкций».
Декламируйте также: Почему у МС-21 нет винглетов
Именно из-за этого незнания разработчики часто использовали для конструкций из композитов больший запас прочности, чем на самом деле был необходим. «При проектировании конструкции из алюминия запас прочности сейчас не превышает 1,5, — рассказывает Юрий Тарасов. — При проектировании же конструкции из углепластика вначале этот запас нередко доходил до 5, или даже 7. По мере изучения свойств композитов, запасы прочности постепенно снижаются, конструкции из них сходят все более легкими». Тем самым использование композитов в конструкции крыла МС‑21 стало выгодным и за счет снижения массы конструкции.
«Композитные» лайнеры имеют и эксплуатационные преимущества. Металлические самолеты подвержены утомления, поэтому их проектируют на определенное количество циклов. Композиционные материалы гораздо более устойчивы к знакопеременным нагрузкам, коррозия им не опасна, поэтому они долговечнее металлов.
Удешевление
Композиты длинное время были достаточно дорогим удовольствием. «Килограмм дюран для самолета стоит около $3, килограмм углепластика, из которого изготавливались покрывало и фюзеляж Boeing 787, — около $400, — объясняет Юрий Тарасов. — Однако использование более дорогого материала окупается его уникальными свойствами».
Декламируйте также: МС-21 — лайнер с черным крылом
Однако даже выбор технологии для производства композитного крыла может снизить суммарную себестоимость лайнера. В сегодняшнее время многие процессы изготовления деталей автоматизированы. Но крайне сложно автоматизировать сборочный труд.
«Один из путей сокращения трудоемкости производства самолета — его составление интегральных конструкций, — уверен технический директор ОАК. — То кушать на сборку надо отправлять не отдельные детали, а уже готовые сборочные единицы. Для МС‑21 из Ульяновска в Иркутск приходит уже готовая конструкция — консоль покрывала. Тем самым не нужно тратить труд высококвалифицированных специалистов предприятия-финалиста на составление самого крыла, как это было бы в случае его изготовления из алюминия». По словам Тарасова, одинешенек только шпангоут клепаной конструкции из алюминия состоит из 120 деталей, которые нужно изготовить, а самое главное — собрать.
На предприятии «АэроКомпозит-Ульяновск» проходит целый технологический цикл изготовления консоли крыла МС‑21 — от выкладки вспомогательных материалов до сборки изделия. Все этапы работ максимально автоматизированы. Несогласие от автоклавов в пользу метода вакуумной инфузии также позволил упростить процесс, сократить его время, а следовательно, и снизить себестоимость производства.
Ключ: журнал ОАК «Горизонты», №2, 2017 г.