Разработка и применение композитных материалов в аэрокосмической и оборонной областях

Разработка и применение композитных материалов в области авиации и обороны
Разработка композитных материалов имеет огромное значение для развития авиационной техники.Половина характеристик самолета зависит от конструкции, другая половина – от материала.Преимущества и недостатки материала на скорость, высоту, дальность полета, маневренность, скрытность, срок службы, безопасность и надежность, ремонтопригодность и другие характеристики играют неоспоримо большое влияние.По статистике, 70 % снижения веса самолета приходится на развитие технологий авиационных материалов.Самолеты, использующие матричные композиты, армированные углеродным волокном, имеют очевидные преимущества в снижении веса самолета, уменьшении расхода топлива, снижении затрат на обслуживание и продлении срока службы самолета.
1. Военные самолеты: В настоящее время количество композитных материалов в передовых военных самолетах мира составляет от 20% до 50% от веса всей конструкции самолета, основное применение композитных материалов, включая обтекатели, плоские хвосты, хвосты-дроги, коробки плоских хвостов крыльев, крылья, переднюю и центральную части фюзеляжа и другие части применения композитных материалов.Если на композитный материал приходится около 50% общего веса самолета, то большинство конструктивных элементов самолета изготавливаются из композитных материалов, как, например, стелс-бомбардировщик B-2.
2. гражданские самолеты: применение композитных материалов в гражданских самолетах, вероятно, прошло через четыре процесса.
На первом этапе, в середине 1970-х годов, композитные материалы в основном применялись для компонентов передней кромки, крыла, обтекателя, спойлера и т.д., которые подвергались меньшим нагрузкам.
▲ На втором этапе, в середине 1980-х годов, композиты применялись в основном для менее нагруженных компонентов, таких как руль высоты, закрылки и элероны.
На третьем этапе композиты стали применяться в элементах дрога и плоского хвоста, которые подвергаются большим нагрузкам.Например, в самолете Boeing 777 композиты используются в хвостовой части и хвосте, и на долю композитов приходится 11 % от общего веса конструкции.
На четвертом этапе композиты используются в крыльях и фюзеляже, которые являются наиболее нагруженными частями самолета.В самолете Boeing 787 Dreamliner используется 50 % композитов, что превышает совокупный вес алюминия, стали, титана и других металлических материалов.

3. вертолеты: военные, гражданские и легкие вертолеты используют композитные материалы из углеродного волокна в больших количествах, и количество композитных материалов, используемых в вертолетах, достигло 40-60% от веса конструкции.Например, использование композитных материалов в американском вертолете RAH-66 составляет 50%, а в европейском вертолете NH-90 – 80%, что близко к полностью композитной конструкции.

4. беспилотные летательные аппараты (БПЛА): военные БПЛА остро нуждаются в снижении веса, поэтому композитные материалы применяются в БПЛА в больших количествах.Например, использование композитных материалов в американских самолетах серии X-45 достигло более 90%; самолеты серии X-47, по сути, являются полностью композитными; использование композитных материалов в беспилотном разведывательном самолете Global Hawk достигло 65%, из композитных материалов изготовлены крылья, хвост, задняя часть фюзеляжа, большой радиокупол и т.д.; европейский экспериментальный беспилотник”Барракуда”, американский ударный беспилотник дальнего действия “Скунс” и другие случаи тоже в основном из композитов.
5. авиадвигатель: количество и доля композитных материалов также стали мерилом продвинутости авиадвигателя.Отличная удельная прочность и удельный модуль композитных смол имеют большое значение для снижения веса, эффективности силовой установки, уменьшения шума и выбросов, а также снижения стоимости авиадвигателей с высоким коэффициентом тяги. Они в основном используются в холодных частях авиадвигателей, с рабочей температурой ниже 150-200℃, таких как лопатки компрессора турбовентиляторного двигателя, направляющие лопатки и их каркасные компоненты, носовой конус турбовентиляторного двигателя и выпрямитель и т.д. Использование композитных смол также является показателем передовой степени авиадвигателей.Основное применение находит в холодных концевых частях авиационных двигателей с рабочей температурой ниже 150~200℃, таких как лопатки компрессора турбовентиляторного двигателя, направляющие лопатки и их каркасные компоненты, носовой конус турбовентиляторного двигателя и выпрямитель, и т.д.На горячем конце, металлическая матрица, керамическая матрица и углерод/углеродные композиты имеют важное применение из-за требований высокой температуры и других специальных условий.

Композиты с титановой матрицей (Ti-MMC), армированные длинными волокнами SiC, обладают такими преимуществами, как высокая удельная прочность, высокая удельная жесткость, высокая термостойкость, хорошее сопротивление усталости и хорошие свойства ползучести, а лопаточные кольца из Ti-MMC вместо дисков нагнетателя позволяют снизить вес компонентов на 70%.В будущем лопатки и зеркала компрессоров авиадвигателей, интегральные створчатые кольца, магазины и валы турбин будут изготавливаться из металломатричных композитов.Керамические матричные композиты были в центре внимания исследований высокотемпературных материалов, тонкая керамика и нитрид кремния, из которых производятся компоненты двигателя, могут работать при температуре 1371 ℃, характеристики даже лучше, чем у высокотемпературных сплавов.

6. другие оборонные и военные отрасли: высокопрочные матричные композиты на основе стекловолокна могут быть использованы в качестве конструкционных материалов для многоствольных ракет дальнего действия и ракет класса “воздух-воздух”, а также абляционно-стойких теплоизоляционных материалов, реализующих монолитность секции схождения сопла, секции расширения и хвостовой рамы, что значительно снижает качество оружия и улучшает тактические характеристики.Углепластиковые композиты также стали лучше использоваться в твердотопливных ракетных двигателях, и многие модели ракет получили твердотопливные ракетные двигатели из композитных материалов.Американские стратегические ракеты MX, российские стратегические ракеты “Тополь” М и т.д. используют передовые композитные пусковые установки.Технология корабельных композитных материалов также стремительно развивалась, в основном достигла уровня практического применения, упрощение производства, снижение стоимости стало фокусом нынешней технологии.В оборудовании ВМС США нашлось большое количество применений композитных материалов.На эсминце ВМС Великобритании также установлена комплексная мачта из многослойных композитных материалов, которая обладает характеристиками невидимости и уменьшает обслуживание антенны.

Предыдущая статья «Композиты в военной промышленности