Анализируя
подученные при выполнении экспериментальных
работ результаты, иностранные специалисты
считают, что композиты могут
быть использованы при конструировании
большинства узлов и деталей
боевого самолета. На рис. 1 показана
схема планера боевого самолета
с указанием тех элементов,
в конструкциях которых, по
взглядам иностранных специалистов,
возможно применение композиционных
материалов.
На
создаваемом фирмой "Рокуэлл интернэшнл"
стратегическом бомбардировщике В-1 внутренние
и внешние лонжероны, расположенные в
хвостовой части фюзеляжа, делаются с
применением накладок из бороэпоксидного
композиционного материала. Эти лонжероны
состоят из сплошных боропластиковых
накладок, соединенных с деталями из металлов.
Металлические элементы (сталь, титан)
обеспечивают прочность, а накладки из
боропластика увеличивают жесткость лонжеронов.
Отмечается, что лонжероны такой конструкции
не только обладают улучшенными механическими
свойствами, но и на 28-44%. легче цельнометаллических.
Предусматривая
дальнейшее внедрение композиционных
материалов в конструкцию бомбардировщика
В-1, лаборатория материалов ВВС
США заключила контракты с
фирмой "Рокуэлл интернэшнл" на разработку
киля из графитоэпоксидного и бороэпоксидного
материалов, а с фирмой "Грумман"
-- на создание стабилизатора самолета
из этих материалов.
В
соответствии с программой, осуществляемой
фирмой "Дженерал дайнамикс" (по
контракту с ВВС США), на изготовленной
из высокопрочной стали нижней поверхности
шарнирной опоры крыла истребителя-бомбардировщикa
F-111A, устанавливаются усиливающие накладки
из эпоксидного боропластика. Американские
специалисты считают, что применение этих
накладок более чем вдвое увеличивает
усталостную прочность шарнирного соединения
узла поворота крыла. На двух самолетах
F-111A испытываются экспериментальные стабилизаторы
из бороэпоксидного ком-позиционного
материала, которые, по данным иностранной
печати, на 27%. легче обычных.
В
самолете F-l4 Томкэт применение композиционных
материалов в силовой конструкции было
предусмотрено в самом начале его проектирования.
Из композиционного материала на основе
бороволокна изготовляются четыре панели
обшивки стабилизатора.
По
данным иностранной печати, результаты
проведенных испытании показали,
что усталостные характеристики
стабилизатора с обшивкой из
боропластика в 2,5 раза выше заданных техническими
требованиями, а но стоимости он в настоящее
время эквивалентен цельнометаллическому.
Общий вес стабилизатора с обшивкой из
боропластика 350 кг; экономия в весе по
сравнению со стабилизатором с титановой
обшивкой 82 кг (или 10%.). Но в сравнении со
стабилизатором аналогичной конструкции
из алюминиевых сплавов выигрыш в весе
получается еще больше - 117 кг (27%.).
В
конструкции самолета F-15 "Игл"
(фирма "Макдоннелл Дуглас"), исходя
из соображений обеспечения требуемой
центровки с целью экономии веса хвостовой
части самолета, обшивка горизонтальных
управляемых стабилизаторов и вертикального
хвостового оперения выполнена из боропластика.
По сообщениям зарубежной печати, завершены
усталостные испытании планера самолета
F-15 с панелями обшивки из композиционных
материалов. Продолжительность испытаний
10 тыс. ч, что в четыре раза превышает его
нормальный ресурс. Затем были проведены
статические испытания горизонтального
управляемого стабилизатора при нагрузке
в два раза больше расчетной разрушающей;
стабилизатор выдержал и эти испытания
По сравнению с конструкцией горизонтального
стабилизатора, выполненной из титана,
экономия веса при использовании боропластиковых
обшивок составила 22%.
Как
отмечается в зарубежной печати,
самолет F-15 является первым военным
самолетом ВВС США, на котором
установлена тормозная система
фирмы "Гудьир", детали которой
изготовлены с использованием композиционного
материала на основе углеродных волокон.
Это обеспечило, по мнению американских
специалистов, экономию веса (около 32 кг
на каждый тормоз) и более плавное и в то
же время более эффективное торможение,
а также увеличило надежность действия
тормозной системы.
Фирма
"Макдоннелл Дуглас" уже третий год
ведет исследования по специальной программе,
предусматривающей применение композиционных
материалов для различных элементов крыла
самолета F-15, что, по расчетам специалистов
фирмы, позволит уменьшить вес крыла на
130-180 кг В ходе прочностных испытаний крыло
самолета из композиционных материалов
разрушилось при нагрузке, составляющей
110%. расчетной разрушающей. Летные испытания
этого крыла планируется начать в 1976 году
(в случае успешного завершения статических
испытаний).
Иностранная
печать сообщает, что высокая
стоимость технической оснастки,
необходимой дли изготовления
деталей из таких материалов,
не позволила в должном объеме
использовать перспективные композиционные
материалы. Однако применение
композиционных материалов в
конструкциях новых боевых самолетов
США все возрастает. Опыт применения
графитоэпоксидных композитных материалов,
полученный Фирмой "Дженерал дайнемикс"
при разработке самолета F-111, учтен и при
создании самолета F-16. Благодаря изготовлению
обшивки киля, стабилизатора и руля направления
из углепластика фирме удались снизить
вес хвостовой части фюзеляжа самолета
F16 примерно на 30% В настоящее врем" фирма
по контракту с ВВС разрабатывает переднюю
часть фюзеляжа этого самолета из графитоэпоксидных
материалов.
Во
время модернизации тяжелого
военно-транспортного самолета С-5А
при создании некоторых узлов
и деталей планера самолета (например,
секции предкрылков) применяли
композиционные материалы. Новая
секция имеет повышенную прочность
и жесткость, она значительно
легче металлической.
Предпринимаются
попытки использовать композиционные
материалы в вертолётостроении.
В частности, с целью исследования
возможности изготовления некоторых основных
элементов конструкции вертолетов из
таких материалов американские и западногерманские
фирмы проводят ряд опытно-конструкторских
работ. По данным иностранной печати, американская
Фирма "Сикорский" участвует в программе,
предусматривающей повышение усталостной
долговечности и улучшение динамических
характеристик вертолета СН-54В за счет
упрочнения композиционными материалами
его хвостовой балки. Сообщается, что в
результате упрочнения стрингеров бороэпоксидным
материалом ресурс планера вертолета
повысился в несколько раз, а вес снизился
на 30%. (рис. 2).
В
зарубежной печати сообщалось, что
министерство обороны США заключило
с фирмой "Хьюз" контракт стоимостью
1,2 млн, долларов на разработку из композиционных
материалов лопасти несущего винта для
вертолета "Хью Кобра". По заявлению
специалистов фирмы, применение композиционных
материалов в конструкции лопасти позволит
уменьшить ее вес, сохранить прочностные
характеристики, добиться относительной
неуязвимости лопасти от пуль. Кроме того,
такие лопасти будут иметь большой ресурс
и малую стойкость, а их производство можно
наладить на автоматизированной линии.
Широкое
применение композиционных материалов
в конструкции несущего винта запланировано
также в рамках перспективной программы
HLH, предусматривающей создание тяжелого
транспортно-десантного вертолета максимальной
грузоподъемностью около 30 т. Но данным
иностранной печати, к настоящему времени
фирма "Боинг" с которой министерство
обороны США заключило контракт на выполнение
работ по программе HLH, изготовила роторы
с несущими винтами, в их конструкции использованы
композиционные материалы.
На
основе исследований, проводившихся
крупнейшей американской вертолетостроительной
фирмой "Сикорский" применительно
к вертолету CH-53D, сделан вывод о том,
что широкое внедрение композиционных
материалов в конструкциях вертолетов
станет целесообразным и 80-х годах. Специалисты
фирмы считают, что максимальная эффективность
достигается при включении композиционных
материалов в конструкцию фюзеляжа вертолета;
при этом в наиболее нагруженных элементах
фюзеляжа следует применять материал
на основе углерода. Проведенный анализ
показал, что за счет использования композиционных
материалов вес конструкции вертолета
CH-53D может быть снижен на 18,5%.
Изучая опыт применения композиционных
материалов в конструкциях самолетов,
американские специалисты считают
эти материалы с точки зрения
веса и механических характеристик
весьма перспективными для ракетно-космической
техники. По сообщениям иностранной
печати, в США при изготовлении
головных частей ракет предполагается
использовать композиционные материалы
с углеволокнистой матрицей, обладающие
высокой радиопрозрачностью. Сообщается
также о проведении тепловых испытании
сопла ракетного двигателя, выполненного
целиком из композиционных материалов.
Из
углепластиков в сочетании с
алюминиевой сотовой конструкцией
уже изготовляется ряд деталей
искусственных спутников Земли,
например каркасы антенн. Это
обеспечило не только экономию
веса по сравнению с алюминиевой
конструкцией, но и стабильность
размеров панелей, так как у
углепластиков чрезвычайно низкий
коэффициент теплового расширения
(в 50 раз меньше, чем у металлов).
Композиционные
материалы планируется широко
использовать для изготовления
некоторых элементов орбитальной
ступени, разрабатываемой в США
транспортно-космической системы
"Шатл". В частности, для теплозащиты
носка фюзеляжа, нижней поверхности носовой
части фюзеляжа, передней кромки крыла
будет применен композиционный материал
"углерод-углерод". Фирмой "Боинг"
разработана рама жидкостного реактивного
двигателя основной двигательной установки
орбитальной ступени, располагающаяся
в хвостовой части фюзеляжа. Она сделана
из бороэпоксидного композиционного материала
в сочетании с элементами из титанового
сплава. Эта конструкция, по данным фирмы,
позволит по сравнению с обычной титановой
достичь экономии в весе около 30%.
Исследования,
выполненные рядом американских
самолетостроительных фирм под
руководством лаборатории материалов
ВВС США, показали, что применение
композиционных материалов в
конструкции военных самолетов
и вертолетов 80-х годов позволит не
только значительно снизить их вес и стоимость,
но и повысить живучесть.
По
прогнозам зарубежных специалистов,
к началу 80-х годов доля композиционных
материалов в планере самолета
возрастет до 50%. Это должно обеспечить
20-30% экономию веса в равной
мере как для дозвуковых, так и сверхзвуковых
самолетов. Достигнутое при этом снижение
веса конструкции позволит увеличить
запас топлива или боевую нагрузку или
уменьшить размеры самолета. Более того,
считается, что высокие прочностные характеристики
этих материалов могут привести к улучшению
аэродинамических характеристик (путем
уменьшения относительной толщины профиля
и удлинения крыла), а в конечном итоге
- к улучшению летных характеристик самолета.
Заключение
Композиционные
материалы постепенно занимают
все большее место в нашей
жизни. Области применения
композиционных материалов многочисленны.
Кроме авиационно-космической, ракетной
и других специальных отраслей
техники, они могут быть успешно
применены в энергетическом
турбостроении, в автомобильной
и горнорудной, металлургической
промышленности, в строительстве
и т.д. Диапазон применения этих
материалов увеличивается день
ото дня и сулит еще много
интересного. Можно с уверенностью
сказать, что это материалы будущего.