Полимеры в авиастроении
Полимеры в авиастроении стали играть заметную роль в 1950-е года, когда появились планеры и легкие самолеты, изготовленные почти полностью из стеклопластика. Достигнутое благодаря этому значительное уменьшение массы самолетов (до 50%) позволило существенно увеличить их полезную нагрузку и дальность полетов. Интерес к самолетам, изготовленным целиком из пластмасс, вызван также их минимальной доступностью для обнаружения радиолокаторами. Целесообразность применения полимерных материалов в авиастроении обусловлена их легкостью, вариабельностью состава и строения и, следовательно, широким диапазоном технических свойств. Тенденция к все более широкому применению полимерных материалов характерна также для производства ракет и космических аппаратов, в которых масса деталей из полимеров может составлять ~ 50% общей массы аппарата.
Реактопласты в авиастроении
Широкое применение в авиастроении армированных пластиков обусловлено прежде всего их высокой удельной прочностью, а также термостойкостью. Первые попытки применить стеклопластик вместо металла в конструкции передней части авиационных реактивных двигателей, детали которых подвержены длительному воздействию температур от 100 до 300°С, относятся к началу 1950-х годов. Первоначальные разработки ограничивались газотурбинными двигателями самолетов вертикального взлета и посадки, для которых увеличение тяговооруженности (отношение тяги к массе) особенно важно.
Согласно расчетам, при замене металла на углеродопластик и боропластик тяговооруженность подъемных авиационных двигателей удастся повысить до 4 кн/кг D00 кгс/кг). Значительный эффект может быть получен и в маршевых реактивных двигателях. Наибольшее внимание уделяется применению армированных пластиков при разработке таких силовых агрегатов, как оперение, крыло, фюзеляж. Перспективны для авиастроения прессматериалы, наполненные нитевидными монокристаллами графита, сапфира, карбидов кремния и бора, обладающими очень высокой прочностью и жесткостью. Изделия из таких материалов могут успешно сочетать функции несущих силовых элементов и тепловой защиты.
Из изотропных материалов можно изготовлять точным литьем детали небольших двигателей, гироскопов и др. Одна из причин широкого применения эпоксидных пластиков, помимо их высокой прочности,— возможность изготовлять из них детали при сравнительно небольшом давлении. Благодаря этому из таких материалов методом прессования можно получать не только небольшие изделия — лопатки компрессоров, кронштергаы, крышки лючков и др., но и крупногабаритные элементы — створки контейнеров, колеса, каркасы рулей, обтекатели, панели крыльев и фюзеляжа.
Способом намотки из стеклопластиков в США изготовливались корпуса ракет типа «земля-воздух», стратегической баллистической ракеты «Минитмен» (из стеклопластика выполнена их третья ступень) и «Поларис». В результате применения стеклопластика вместо легированных сталей для изготовления корпусов обеих ступеней ракеты «Поларис А-2» радиус ее действия почти удвоился. При изготовлении корпусов сверхзвуковых самолетов «Боинг-747» использовалась намотка стеклоровницы, пропитанной полиимидом. Известно также, что методом намотки стеклолентой изготовляют монококовые (без силового набора стрингеров и шпангоутов) хвостовые балки вертолетов. Литьевые стекловолокниты успешно используют при изготовлении таких ответственных элементов авиационных конструкций, как вертолетные колеса и соединительные дуги в статоре компрессора газотурбинного двигателя.
Существенное препятствие для реализации высокой удельной прочности стеклопластиков в авиационных конструкциях — низкая (по сравнению с металлами) удельная жесткость. С расширением производства углеродопластиков и боропластиков, обладающих более высокой удельной жесткостью, стеклопластики заметно уступают свои позиции, особенно в производстве сверхзвуковых самолетов. Например, из углеродопластов в США созданы тормозные щитки предкрылков, стабилизаторы (самолеты F-5 и «Скайхок А-4»), крыло сверхзвукового беспилотного самолета-мишени BQM-34F, створки купола для уборки основного шасси (CF-14), наружные панели обшивки, лонжероны, узлы крепления и стойки шасси для других самолетов.
В Великобритании углеродопласты применяют в производстве поводков управления циклическим шагом (WO-13), трансмиссионных валов («Васп/Скоут»), монококовых хвостовых балок и других деталей вертолетов, для которых жесткость является одной из определяющих характеристик. Аналогичные конструкции создаются из боропластиков, а иногда из их комбинации с углеродопластами. По данным фирмы «Боинг», такая комбинация позволяет создавать несущие винты вертолетов, жесткость которых выше, чем у алюминиевых и стальных, соответственно в 6—8 и 2—3 раза.
Уменьшение массы деталей во всех названных выше случаях применения углеродо- и боропластиков находится в пределах 15—50%. По предварительным оценкам, в случае широкого использования боропластиков удастся снизить массу:
- вертолетов на 35%,
- военно-транспортных самолетов — на 22%;
- самолетов вертикального взлета и посадки — на 21%.
Наиболее перспективными высокомодульными армированными пластиками считаются углеродопласты, стоимость которых меньше, чем боропластиков. При этом самолеты, в которых углеродопласты найдут широкое применение, будут дешевле изготовленных целиком из металла.
Высокие демпфирующие свойства армированных пластиков обусловили, в частности, применение углеродопластов для изготовления втулки несущего винта вертолета «Сен Кинг» (Великобритания), стекло- и боропластика — для изготовления вертолетных колес и стоек. Элементы летательных аппаратов из этих материалов характеризуются более высокой выносливостью в условиях вибрационного нагружения, чем их металлические прототипы. Так, направляющий аппарат для вертолетных газотурбинных двигателей фирмы «Вэрко пластике» (США), изготовленный из эпоксидного стеклопластика, не разрушается после 30 млн. циклов испытаний на электромагнитном вибраторе, тогда как алюминиевый аппарат не выдерживает 1 млн. циклов. Усталостная выносливость боропластиков еще выше: при 1 млн. циклов испытаний разрушающее напряжение у них в 1,5 раза выше, чем у той же конструкции из стеклопластика.
На крыльях одного из самолетов фирмы «Боинг» устанавливают предкрылки переменной кривизны с обшивкой из стеклопластиков и сотовым заполнителем. Раскрываясь при взлете и посадке самолета, предкрылки принимают благодаря гибкости полимерного материала необходимый аэродинамический контур. Это свойство пластиков обусловливает лучшую динамическую устойчивость и управляемость, а также более высокую надежность бесшарнирных несущих винтов. Удачным сочетанием удельной прочности, демпфирующих и некоторых других свойств характеризуются также пластики, армированные синтетическими волокнами. Решающее значение при выборе полимерных материалов для внешних элементов обшивки самолета, нагревающихся из-за трения о воздух и торможения потока, имеет термостойкость. Перспективными термостойкими связующими для армированных пластиков, помимо модификаций фенольных и циклоалифатических эпоксидных смол, являются полибензимидазолы. Композиции на основе карбонизованных полимеров, содержащие асбестовые и углеродные волокна и выдерживающие температуры 800 °С и выше, используют при изготовлении тормозных дисков на авиационных колесах.
Широкое применение получили теплозащитные (абляционностойкие) покрытия из реактопластов, в частности из фенопластов. Некорые из этих материалов способны длительное время находиться в контакте с открытым пламенем, температуpa которого может быть выше 5000 °С
Основной недостаток высокодисперсных наполнителей (особенно порошкообразных), применяемых в теплозащитных материалах,— унос их газообразными продуктами деструкции еще до того, как они выполнят свою основную функцию. Поэтому в прессматериалах для защитных покрытий порошкообразные наполнители используют только в сочетании с коротковолокнистыми. Например, асбофенопласты с добавкой высокодисперсных порошков бора и графита сохраняют свою структуру в атмосфере сгорающего ракетного топлива при температуре до 1100 °С в течение 0,5 ч. Такие комбинированные материалы применяют для облицовки выхлопных труб и экранов ракетных двигателей.
Нанесение теплозащитных покрытий на поверхность летательных аппаратов осуществляется различными способами в зависимости от типа материала: приклеиванием, послойной выкладкой, напылением и др. Тепловая защита может составлять значительную часть массы летательного аппарата (например, 20—40% от массы ракеты без топлива).
Прессматериалы применяют в производстве подвесных топливных баков. Изготовление баков из асботекстолита и стекловолокнита методом центробежного формования позволяет существенно снизить их стоимость. Высокими фрикционными характеристиками асбоволокнита обусловлено его применение для колодок, накладок и дисков в тормозных устройствах самолетов.
Технологические, механические и колористические свойства полимерных материалов открывают также широкие перспективы для их использования при создании интерьера кабины, салона и вспомогательных помещений летательных аппаратов. Распространенный отделочный материал — декоративный бумажно-слоистый пластик.
Термопласты в авиастроении
Из термопластов, используемых в самолетостроении, в наименее благоприятных эксплуатационных условиях (большие механические и тепловые нагрузки) находятся элементы остекления (фонари, блистеры, иллюминаторы и др.), которые изготовляют обычно из полиметилметакрилата, обладающего высокой светопрозрачностью, низкой плотностью и способностью легко формоваться (см. Органическое стекло).
Возможность повышения прочности и теплостойкости органических стекол (выше 110—140 °С), например, с помощью армирующих волокон, ограничивается тем, что для сохранения прозрачности стекол компоненты, входящие в их состав, должны иметь близкие показатели преломления. Проблема повышения теплостойкости органических стекол не может быть также решена применением многослойных стекол (триплексов) из полиакрилатов (см. Стекло многослойное). Предпринимаются попытки использовать для изготовления внутренних слоев триплексов поликарбонат. Трудности подбора органических стекол связаны с высокими требованиями, предъявляемыми не только к их теплостойкости, но также и к абразиво-, огне- и «птицестойкости». Эти требования, особенно последнее, вынуждают иногда отказываться от применения даже достаточно теплостойких органических стекол в пользу минеральных.
Абляционностойкие антенные обтекатели изготовляют из фторопластов, наполненных керамическими волокнами. Из этих же материалов, стойких к маслам, охлаждающим жидкостям, электролитам и другим агрессивным средам, изготовляют трубы, фланцы, фитинги, элементы насосов, уплотнители и др. Предполагают, что армирование полиэтилена «усами» карбида кремния, исключительно стойкого к действию плавиковой кислоты, позволит изготовлять из него трубы и другие детали для некоторых ракетных двигателей. Однако применение термопластов ограничено их ползучестью. В частности, уплотнители из фторопласта нельзя использовать в тех случаях, когда конструкция узла крепления не исключает ползучесть материала.
Термопласты используют также при декоративной отделке интерьеров самолетов. В частности, широкое применение для этой цели находят разнообразные материалы на основе поливинилхлорида — искусственная кожа, пленки и др.
Пенопласты и сотопласты в авиастроении
Эти материалы благодаря их низкой плотности, а также звукопоглощающим и теплоизоляционным свойствам используют в качестве заполнителей высоконагруженных трехслойных авиационных конструкций. Пенопласты изготовляют из композиций фенольных смол с каучуками, полистирола, эластифицированного поливинилхлорида. При использовании последнего достигается высокий коэффициент звукопоглощения (~0,9 при 1 кгц). В трехслойных конструкциях широко применяют также пенополиуретаны. В этом случае собранные панели заполняют через технологические отверстия жидкой смесью исходных продуктов, которая вспенивается под действием газов, выделяющихся в результате реакции между компонентами, образуя пенопласт. Иногда для повышения прочности и жесткости пенопласт армируют волокнами (обычно стеклянными).
Сотопласты успешно конкурируют с пенопластами в производстве трехслойных силовых конструкций. Одна из причин этого — возможность достижения более высоких показателей удельной прочности при сжатии. Например, на самолете «Боинг-747» около 6300 м2 площади панелей заполнено сотами из синтетической бумаги на основе ароматического полиамида («номекс») с кажущейся плотностью 0,045 г/см3. В конструкции того же самолета используют большое количество стеклосотопласта на полиимидном связующем, который сохраняет работоспособность до 300 °С. Помимо обеспечения жесткости и радиопрозрачности (в антенных обтекателях), стеклосотопласты повышают безопасность полетов, уменьшая вероятность поражения летательных аппаратов молнией. Пенопласты и сотопласты вытесняют ребра жесткости во всех силовых конструкциях проектируемых самолетов (исключение — топливные отсеки, применение ребер жесткости в которых позволяет увеличить долю внутреннего полезного объема).
Резины в авиастроении
Из резин изготовляют шины, амортизаторы, рукава, мягкие топливные баки, разнообразные профилированные монолитные шнуры, которыми герметизируют люки, окна, двери кабин и др. В производстве авиашин используют главным образом резины из натурального и синтетического изопреновых каучуков и кордные ткани из полиамидных волокон. При изготовлении поверхностных нагревателей и антиобледенителей, для экранирования деталей электро- и радиоаппаратуры, а также в производстве шлангов и покрышек, которые не должны накапливать зарядов статического электричества, применяют токопроводящие резины, наполненные ацетиленовой сажей. Из маслостойких резин изготовляют топливные баки, в том числе взрывобезопасные. В последние помещают специальный пенополиуретан, занимающий 3—5% полезного объема бака и препятствующий взрывной волне от разорвавшейся пули, достигающей критической скорости.
В элементах авиационных конструкций больших размеров и невысокой жесткости используют резиновые абляционностойкие теплозащитные покрытия, не разрушающиеся при деформации конструкции. Перспективный материал для таких покрытий — резины на основе кремнийорганических каучуков, в том числе наполненные полыми микросферами (см. Пластики с полым наполнителем), волокнами или сотами. Бутилкаучук, вулканизованный фенолоформальдегидными смолами, может стать заменителем фторопласта в усовершенствованных вытеснительных емкостях систем подачи жидких компонентов топлива при низких температурах.
Использование резин для сверхзвуковых самолетов и космических кораблей ограничено из-за высоких требований к тепло- и морозостойкости материалов, а также к их стойкости в условиях действия радиации и в вакууме. Однако общее потребление каучуков в авиастроении не уменьшается.
Герметики в авиастроении
Применение герметизирующих составов для поверхностной и внутришовной герметизации авиационных конструкций позволило увеличить высоту полета до 10 км и более, а также значительно усовершенствовать самолеты — повысить их надежность, уменьшить массу, увеличить дальность полета. Эффективная герметизация кабин, топливных отсеков, воздуховодов, клепаных и других соединений оказалась практически возможной с появлением эластичных герметиков на основе каучуков. Невысыхающие пластичные замазки, например, на основе полисульфидных каучуков, использовавшиеся для герметизации кабин высотных самолетов после второй мировой войны, в современных самолетах применяют лишь в неответственных соединениях. Вместо них используют вулканизующиеся герметики, обеспечивающие большую теплостойкость соединительного шва и его меньшую чувствительность к перепадам давлений. Требованиям сверхзвуковой авиации отвечают герметики на основе кремнийорганических каучуков, применяемые для поверхностной герметизации. Большие и малодоступные поверхности, например, топливные отсеки, герметизируют вулканизующимися при обычной температуре составами на основе полисульфидных каучуков. Такая герметизация позволяет размещать топливо непосредственно в отсеках фюзеляжа и крыльев, благодаря чему исключается применение резиновых топливных баков. Количество топлива на самолете может быть при прочих равных условиях увеличено на 30—40% . Для сверхзвуковых самолетов с относительно малыми толщинами крыльев такие герметизированные отсеки — единственно возможные емкости для топлива. Недостаток герметиков на основе каучуков — низкую адгезию ко многим конструкционным материалам — устраняют модификацией составов, например, изоцианатами или эпоксидными смолами. Распространено также применение клеевых подслоев, обладающих одинаково высокой адгезией как к герметизируемому материалу, так и к герметику. Герметики с хорошими адгезионными свойствами, например, на основе полиизобутилена, фенолоформальдегидных и эпоксидных смол, полиуретанов, используют только при герметизации малонагруженных узлов, так как эти герметики значительно изменяют форму и размеры под действием деформаций и при колебаниях температуры.
Клеи в авиастроении
Основное назначение клеев в авиастроении — сборка самих самолетных конструкций. Наиболее широко для этой цели применяют термореактивные клеи на основе эпоксидных, полиэфирных и фенольных смол, полиуретанов и их модификаций (см. Клеи синтетические). Применение клеев для крепления обшивок фюзеляжа, крыла, стабилизатора и других элементов со стрингерами и шпангоутами, пено- и сотозаполнителями обусловлено тем, что клеевые соединения, обеспечивая необходимую герметичность, более равномерно, чем заклепочные, болтовые или сварные, распределяют напряжения. Кроме того, склеивание осуществляют по более простой технологии и при значительно более низких температуpax, чем сварку. Клеевая пленка выполняет одновременно роль демпфера, способствующего гашению вибрации. Благодаря применению клеев для сборки отсеков вертолетных лопастей и крепления их на лонжероне ресурс лопастей увеличился до 1,5— 2 тыс. часов. Известны также примеры использования клеев в производстве ракет, космических кораблей и спутников.
Чисто клеевые соединения наиболее часто встречаются в сочленениях, работающих на сжатие и сдвиг, а также в малоответственных сочленениях, работающих на отрыв. В ответственных элементах авиационных конструкций иногда создают клеезаклепочные и клееболтовые соединения. Применение клеев ограничивается в некоторых случаях длительностью сборки. Поэтому при разработке новых клеев значительное внимание уделяется выпуску их в форме, пригодной для быстрого нанесения и формирования клеевого соединения. Например, при креплении обшивок к сотовым заполнителям в трехслойных конструкциях применяют пленочные клеи. Они представляют собой сухие пленки, которые плавятся и отверждаются при нагревании. Высокая производительность склеивания этим способом, простота и равномерность нанесения пленки обусловили, в свою очередь, новые конструкторские разработки. В частности, при создании самолета «Боинг-737» использованы двухслойные алюминиевые панели, склеенные пленкой, выполняющей одновременно функции вибропоглотителя и защитного средства при химическом фрезеровании панелей на точно заданную глубину. Склеивание в этом случае происходит при прокатке панелей, тогда как обычная технология предусматривает применение струбцин, вакуумных мешков, автоклавов и другой оснастки.
Формирование клеевых соединений удается значительно ускорить при использовании клеев-расплавов. В зависимости от требуемой теплостойкости используют различные термопласты, чаще всего полиэтилен и политетрафторэтилен, которые наносят на соединяемые поверхности в виде порошка, пленки или волокон. После кратковременного нагревания под давлением (обычно несколько кн/м2, или гс/см2) до температуры плавления полимера и последующего охлаждения давление снимают. Такие соединения характеризуются высокой прочностью при сдвиге. Например, при использовании полиэтилена в конструкциях из алюминиевых сплавов она равна 14,5—29 Мн/м2 (145—290 кгс/см2).
Лакокрасочные материалы в самолетостроении
Ассортимент лакокрасочных материалов для авиастроения насчитывает более 200 наименований. Антикоррозионные лакокрасочные покрытия (см. Защитные лакокрасочные покрытия) защищают самолеты от атмосферных воздействий и агрессивных сред (топлив, масел и др.). Коррозия обшивки самолета особенно опасна потому, что толщина ее составляет всего 0,6—1,5 мм. Важное требование к антикоррозионным покрытиям — эффективная защита при малой толщине (при больших толщинах может значительно увеличиться масса самолета). Наилучшими эксплуатационными показателями характеризуются полиакриловые покрытия толщиной 15—20 мкм (см. Полиакриловые лаки и эмали). Такие покрытия типичны для самолетов со скоростью до М2,2. Дальнейшее повышение скорости влечет за собой необходимость повышать теплостойкость покрытий, а также создавать новые покрытия для защиты металлов, вытесняющих алюминиевые сплавы. Предполагают, что для самолетов со скоростями полетов до МЗ доминирующую роль будут играть покрытия на основе кремнийорганических полимеров (см. Кремнийорганические лаки и эмали), срок службы которых при 315 °С составляет 10 000 ч. Для скоростей порядка М4 наиболее перспективны, по-видимому, полиимидные покрытия, получаемые напылением порошкообразных композиций.
Лакокрасочные материалы на основе пластифицированных полиуретанов, эфиров целлюлозы (см. Полиуретановые лаки и эмали, Эфироцеллюлозные лаки и эмали) и некоторых других пленкообразующих обеспечивают морозостойкость от —40 до —60 °С, полиакриловые — до —100 °С. Внешние поверхности самолетов подвергаются интенсивной эрозии, особенно в результате соударения с каплями дождя при полетах на больших скоростях. Интенсивные поиски эрозионностойких лакокрасочных покрытий связаны как с опасностью обнажения защищаемой поверхности, так и со стремлением сохранить ровную поверхность, поскольку появление неровности, даже равной 0,01 (отношение глубины неровности к ее длине), приводит к снижению скорости самолета примерно на 1%.
Нанесение лакокрасочных покрытий на тонколистовую обшивку самолета может в 20—25 раз снизить ее вибрацию. Это обусловило поиски эффективных виброгасящих материалов, способных работать в широком диапазоне частот B0—3000 гц) и температур (от —50 до —300 °С). Перспективными считают покрытия на основе теплостойких каучуков, например, карбораниленсилоксановых.
Защита внутренних поверхностей самолетов не менее сложна, чем защита внешних, так как конденсирующаяся на них влага может не испаряться в течение длительного времени. Кроме того, повторное окрашивание труднодоступной внутренней поверхности осуществляется лишь через —10 лет. Чаще всего на внутренние поверхности наносят пассивирующие грунтовки на основе комбинации эпоксидных смол и полиамидов, пигментированные хроматами стронция или бария.
Терморегулирующие лакокрасочные покрытия устраняют перегрев обшивки самолетов, например под действием аэродинамического потока и интенсивного радиационного облучения (в стратосфере). Такие покрытия должны характеризоваться высокими коэффициентом отражения и излучения. Коэффициент отражения покрытий для космических аппаратов должен быть не менее 0,9. Этому требованию удовлетворяют, например, кремнийорганические полимеры, наполненные оксидами цинка, титана, циркония. Для снижения температуры внутри жилого отсека космической станции «Скайлэб» внешние элементы тепловой защиты были выполнены из полимерной пленки, металлизированной алюминием и золотом.
Терморегулирующие покрытия, которые наносят на внутренние поверхности летательных аппаратов, должны защищать кабины экипажа и пассажирский салон от переохлаждения. Коэффициент излучения в этом случае должен быть не более 0,4. Покрытия с такими свойствами получают из эпоксидно-полиамидных композиций, наполненных чешуйчатым алюминием. В результате старения коэффициент излучения покрытий повышается до 0,7. Используют также светопоглощающие (для окраски внутренних поверхностей, оптических приборов и др.) и светящиеся лакокрасочные покрытия (для шкал приборов, стрелок указателей, деталей управления и др.).
Лакокрасочные материалы применяют для создания разнообразных маскировочных покрытий (под цвет снега, зелени, ночного неба и др.). Подбирая состав компонентов, добиваются эффекта слияния контура военных самолетов с окружающей средой при визуальном и оптическом наблюдении. В отделке интерьеров самолетов важную роль играют декоративные лакокрасочные покрытия.
Чтобы получить дополнительную информацию и (или) узнать последние новости по данной теме посетите тематическую закладку: Полимеры в авиастроении. Кроме того вы можете воспользоваться и другими тематическими метками (см. ниже).
Автор: Каргин В.А., академик АН СССР
Источник: Энциклопедия полимеров, под редакцией В.А. Каргина
Дата в источнике: 1972 г.