Введение

Современные летательные аппараты (ЛА) являются сложной конструкцией, изготовлены из разнородных металлов и неметаллических материалов. Так, в конструкциях самолетов применяются детали из алюминиевых, стальных, титановых, медных сплавов, коррозионностойких сталей и полимерных композиционных материалов (ПКМ) (стекло-, угле-, органопластики и др.) [1, 2]. Самолеты эксплуатируются в различных климатических условиях, вследствие чего подвергаются воздействию внешних (атмосферных) факторов, таких как колебания температуры, солнечная радиация, осадки, различные газы, находящиеся в воздухе промышленных районов, морской туман и т. п. Немаловажным фактором также является то, что в ходе эксплуатации авиационной техники (АТ) могут появляться незначительные дефекты (царапины, забоины, сколы, потертости).

Данные условия способствуют возникновению коррозии металлических деталей и разрушению (или изменению) первоначальных свойств деталей из неметаллических материалов [3–5]. В ходе длительной эксплуатации самолетов в различных климатических районах наиболее подвержены коррозии стальной крепеж обшивок фюзеляжа, нижних поверхностей центроплана, крыла и стабилизатора; детали и агрегаты, расположенные в нишах шасси; детали из магниевых сплавов; трубопроводы системы кондиционирования воздуха (СКВ), гидро- и топливной системы [6]; стальные детали, имеющие нарушения лакокрасочного и гальванического покрытий. Подвержены коррозии и более ответственные детали: шток амортизатора стойки шасси, узел навески подбалочного киля, элементы конструкции в отсеке установки аккумуляторных батарей. Сильному эрозионному износу подвергаются и такие детали, как носовой конус, обтекатели антенн на передних кромках крыла, законцовки киля. Наибольшие нарушения ЛКП наблюдаются на верхней и нижней поверхностях стабилизатора, верхней части крыла, в районе люков обоих двигателей, на верхней и нижней поверхностях механизации крыла, по крепежу нижней силовой панели, в нишах стоек шасси.

Ввиду сложности конструкции АТ и насыщенности планера системами (гидравлическая и воздушная, топливная, СКВ и др.) и агрегатами задача определения зон повышенной коррозионной активности является труднорешаемой. Только в ходе продолжительной эксплуатации появляется возможность обнаружить зоны, больше всего подверженные коррозионным поражениям, и выявить наиболее уязвимые в части повреждаемости места [7]. В настоящее время также имеются задачи, связанные с освоением арктической зоны территории Российской Федерации [8–10], в которых особую актуальность приобретают проблемы разработки материалов, обладающих высокой климатической стойкостью, и обеспечения работоспособности сложных технических систем в данных условиях эксплуатации. Поэтому при производстве деталей и конструкций авиационного назначения все чаще обращают внимание на ПКМ [11, 12].

Как было отмечено ранее, существенное влияние на стойкость материалов оказывают климатические факторы (температура, влага и т. д.), которые при своем комплексном воздействии являются активаторами старения, способствуют развитию физико-химических процессов в материалах и за время эксплуатации изделий (25–30 лет) могут существенно снизить их прочностные свойства [13–16]. Особенно остро проблема сохраняемости свойств материалов стоит при эксплуатации техники в районах с жесткими климатическими условиями – с тропическим и морским климатом [17].

Климатические испытания изделий (материалов) являются составной частью системы контроля качества изделий техники. Испытания проводятся на всех стадиях их жизненного цикла. Проведение климатических испытаний позволяет определить пригодность материалов для изготовления изделия, проконтролировать качество получаемых материалов, оценить коррозионную стойкость металлов и сплавов, защитных покрытий, стойкость к старению и биоповреждениям неметаллических материалов, а также выявить конструктивные и технологические недостатки изделий [18].

Целью данной работы является оценка влияния климатических воздействий на эксплуатационные свойства (тропико-, влаго-, водо-, бензо- и грибостойкость, тепловой ресурс и т. д) стеклопластика марки ВПС-42П/Т-64 на основе фенолформальдегидного связующего, используемого для изготовления трубопроводов СКВ летательных аппаратов [19].

Важным фактором также является соблюдение норм АП-25 (п. 831 «Вентиляция» – содержание токсичных примесей в воздухе) [20]. Согласно данному пункту, содержание токсичных примесей не должно превышать следующие предельные допустимые концентрации (ПДК):

Материалы и методы

Для исследования эксплуатационных свойств изготовлены стандартные образцы стеклопластика марки ВПС-42П/Т-64 (на основе быстроотверждаемого фенолформальдегидного связующего марки ВСФ-16М и стеклянного наполнителя марки Т-64(ВМП)-78).

Пределы прочности при сжатии (ГОСТ Р 57756–2017) и статическом изгибе (ГОСТ 4648–2014) определяли как в исходном состоянии образцов, так и после следующих воздействий:

– микологическое старение (3 мес) – по ГОСТ 9.049–91. Сущность методов заключается в выдерживании материалов, зараженных спорами грибов, в условиях, оптимальных для их развития, с последующей оценкой грибостойкости по степени развития плесневых грибов и (или) по изменению характерных показателей свойств материалов;

– тепловлажностное старение (3 мес) – по ГОСТ 9.707–81. Сущность метода заключается в проведении ускоренных испытаний материалов, деталей и узлов на стойкость к старению при воздействии температуры и влажности, установлении характера кинетической зависимости изменения показателя при старении, построении кривой прогноза и определении значения показателя после заданной продолжительности хранения или продолжительности хранения до достижения заданного значения показателя;

– воздействие влаги, воды, бензина и масла (3 мес) – по ГОСТ 12020–72. Сущность методов заключается в определении изменения массы, линейных размеров, внешнего вида стандартных образцов пластмасс в ненапряженном состоянии и растрескивания их в напряженно-деформированном состоянии после выдержки в течение определенного периода времени в реагентах – жидких химических веществах, растворах твердых химических веществ и технических жидких средах (топливе, масле и т. п.);

– тепловое старение – по ГОСТ 9.715–86. Сущность метода заключается в нагревании пробы материала с заданной скоростью в воздухе, среде заданного состава или вакууме, непрерывной регистрации происходящих в материале процессов на термоаналитической кривой и определении стойкости материалов к воздействию температуры.

Наряду с определением механических свойств ПКМ, выполнили оценку свойств отвержденного пластика по толщине – определили микротвердость [21–24]. Данный метод удобен тем, что позволяет с высокой точностью проводить измерения на небольшом объеме материала. Микротвердость матрицы измеряли на поперечных шлифах с помощью микротвердомера ПМТ-3М [25], при этом нагрузка на индентор микротвердомера составляла 0,1 Н (10 г).

Для проведения данных исследований изготовили плиты стеклопластика марки ВПС-42П/Т-64 на основе связующего марки ВСФ-16М и стеклоткани марки Т-64. Для их изготовления синтезировали одну партию связующего и получили две партии препрега на установке УПР-4. Провели контроль их основных свойств на соответствие требованиям технических условий. Результаты исследований приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Технологические свойства фенолформальдегидного связующего

марки ВСФ-16М (средние значения)

Таблица 2

Технологические свойства препрега стеклопластика

марки ВПС-42П/Т-64 (средние значения)

Как видно из данных табл. 1 и 2, свойства изготовленных материалов соответствуют предъявляемым к ним требованиям.

Для анализа рассматриваемых характеристик изготовили образцы стеклопластиков прессовым методом формования с квазиизотропной укладкой слоев и провели исследование свойств как в исходном состоянии образцов, так и после воздействия на них различных сред.

Результаты и обсуждение

Основными видами испытаний образцов после воздействия на них различных сред (теплового старения при температуре 80, 130 и 150 °С (100 и 500 ч); камеры тропического климата (3 мес): 8 ч – при температуре 50±2 °С и влажности 98%, 12 ч – при температуре 20±2 °С и влажности 98%, 4 ч – при температуре 20±2 °С и влажности 65%; микологического старения (3 мес); тепловлажностного старения при температуре 60 °С и влажности 85% (3 мес); влаги и воды (3 мес); топлива ТС-1 и масла ИПМ-10 (3 мес) и др.) выбрали изгиб и сжатие, которые отображают истинные напряжения в детали СКВ. Результаты исследований приведены в табл. 3–5 и на рис. 1.

Исходя из данных, представленных в табл. 3, процент сохранения свойств стеклопластика, в сравнении с исходными значениями, составляет 85–100%, что свидетельствует о работоспособности стеклопластика при воздействии на него агрессивных сред. Стеклопластик марки ВПС-42П/Т-64 является грибостойким – балл обрастания 1–2 в соответствии с 6-балльной шкалой.

Таблица 3

Пределы прочности при сжатии и изгибе стеклопластика марки ВПС-42П/Т-64

после воздействий эксплуатационных сред (средние значения)

Таблица 4

Предел прочности при сжатии стеклопластика марки ВПС-42П/Т-64

после воздействия температуры (средние значения)

Таблица 5

Предел прочности при изгибе стеклопластика марки ВПС-42П/Т-64

после воздействия температуры (средние значения)

Исходя из данных, представленных в табл. 4 и 5, процент сохранения свойств стеклопластика, в сравнении с исходными значениями, составляет 92–100%, что объясняется снижением внутренних напряжений и стабилизацией свойств в ПКМ [26].

Рис. 1. Результаты исследования при температурах 20 (1, 3) и 80 °С (2, 4) предела прочности при сжатии (1, 2) и изгибе (3, 4) стеклопластика марки ВПС-42П/Т-64 после эксплуатационных воздействий

В связи с тем, что отверждение связующего в период формования происходит не одновременно во всем объеме, а с некоторыми различиями во времени, проведена работа по оценке микротвердости полимерной матрицы по толщине ПКМ. Исследование проводили как в исходном состоянии, так и после воздействия некоторых факторов (температуры, влаги, влаги и температуры). Для этого одни образцы помещали в воду и проводили их кипячение в течение 1 сут (3 рабочих дня). Другие и часть прокипяченных образцов термообрабатывали под вакуумным мешком при конечной температуре 170 °С в течение 6 ч. После проведенных действий провели исследование микротвердости образцов [26].

Результаты, представленные на рис. 2, свидетельствуют о том, что воздействие влаги негативно сказывается на микротвердости полимерной матрицы в пластике, однако его последующая термообработка приводит к восстановлению свойств до уровня исходных значений.

Рис. 2. Результаты исследования микротвердости по толщине образца в исходном состоянии (1) и при воздействии различных факторов:  температуры (2), влаги (3), влаги и температуры (4)

При изготовлении элементов воздухопроводов СКВ необходимо применение материала, отвечающего требованиям АП-25 (FAR25), – элементы должны быть самозатухающими при испытаниях в вертикальном положении, согласно соответствующим пунктам Части 1 Приложения F [27, 28]. В связи с этим проведена оценка пожарной опасности стеклопластика марки ВПС-42П/Т-64 (табл. 6).

Таблица 6

Оценка пожарной опасности стеклопластика марки ВПС-42П/Т-64

Результаты исследований, представленные в табл. 6, показали, что стеклопластик марки ВПС-42П/Т-64 соответствует требованиям АП-25 по горючести (Часть 1 Приложения F) [20]. Таким образом, разработанный материал является стойким к различным климатическим факторам. По результатам исследований на стеклопластик ВПС-42П/Т-64 разработано дополнение к паспорту на стеклотекстолит марки ВПС-42П. Рабочие температуры этого стеклопластика, при которых он может эксплуатироваться, установлены в диапазоне от -60 до +120 °С.

Как отмечено ранее, к содержанию вредных веществ в воздухе салона самолета предъявляются особые требования. Поэтому на основе разработанного материала изготовили заготовки патрубков элементов СКВ для ЛА, которые были переданы в Санитарную эпидемиологическую станцию для проведения необходимых исследований. Получено положительное решение.

В настоящее время на основе разработанного материала серийно производят заготовки СКВ для ЛА. Проведенные исследования разработанного материала доказывают его пригодность для изготовления элементов СКВ [29].

Заключения

На основании проведенных исследований выявлено, что стеклопластик марки ВПС-42П/Т-64 на основе фенолформальдегидного связующего марки ВСФ-16М и стеклоткани Т-64(ВМП)-78 имеет процент сохранения свойств после воздействия внешних климатических факторов на уровне 85–100%, что свидетельствует о его работоспособности в различных эксплуатационных средах.

Установлено также (по средству измерения микротвердости полимерной матрицы), что после воздействия влаги происходит снижение механических свойств стеклопластика, однако после воздействия повышенных температур свойства возвращаются на уровень исходных значений.

На основании результатов проведенных исследований стеклопластик марки ВПС-42П/Т-64 рекомендован для изготовления заготовок патрубков для СКВ летательных аппаратов, которые соответствуют нормам АП-25 п. 831 по содержанию вредных веществ в воздухе, выделяемых при их эксплуатации.