Введение

В настоящее время в нашей стране проводится большое количество теоретических и практических научных исследований по разработке летательных аппаратов (ЛА) для нужд гражданской авиации, в том числе среднемагистральных и широкофюзеляжных самолетов. Для уменьшения массы ЛА необходимо использование современных полимерных композиционных материалов (ПКМ) [1, 2]. При разработке новейшей авиационной техники возрастают требования, предъявляемые к используемым материалам (применяемым при изготовлении вспомогательных и силовых конструкций) для обеспечения надежности ЛА.

В основном детали из ПКМ сосредоточены в салоне самолета. Их применение в данном секторе обусловлено созданием на их основе прочных и легких конструктивных элементов, что немаловажно в отношении весовой эффективности конструкции самолета (рис. 1).

Рис. 1. Схема конструкции пассажирского салона самолета

Конструкция салона пассажирского самолета имеет сложную схему и состоит из множества элементов. Салон самолета проектируется таким образом, чтобы обеспечить безопасность пассажиров на всех участках полета, так как при большом скоплении людей в ограниченном пространстве возникают сложности при их эвакуации в случае возникновения пожара. В связи с этим одним из основных требований, предъявляемых к применяемым материалам в салоне самолета, является их пожаробезопасность, поскольку, по данным статистики, при возникновении пожара в салоне самолета до 40 % пассажиров гибнет от удушения продуктами горения и термических травм [3]. Главными параметрами пожаробезопасности, установленными Нормами летной годности самолетов (НЛГС), являются нормы по горючести и дымообразованию материалов. После введения в Российской Федерации взамен НЛГС новых Авиационных правил АП-25, гармонизированных с FAR-25 (США), в них дополнительно введен еще один параметр, характеризующий пожаробезопасность материала, – тепловыделение при горении [4, 5]. При сертификации материалов салона отечественных самолетов по АП-25 установлено, что не все материалы соответствуют этим требованиям по параметру тепловыделения, а некоторые находятся на границе допустимого предела, составляющего не более 65 кВт/м².

Салон самолета условно можно разделить на три основные составляющие: детали интерьера салона, детали панелей пола и система кондиционирования воздуха (СКВ). Для изготовления деталей интерьера салонов пассажирских самолетов широко применяют монолитные и многослойные панели. Многослойные изделия состоят главным образом из сотового заполнителя и обшивок на основе стеклопластика. До 80 % деталей интерьера изготавливают из сотовых панелей, что объясняется их легкостью, жесткостью и технологичностью, а также выполнением, наряду с декоративными, в некоторой степени функции звуко- и теплоизоляции.

Для создания элементов интерьера пассажирского самолета применяют преимущественно связующие, изготовленные на основе фенолформальдегидных олигомеров. Это связано с тем, что при горении происходит их коксование до 84 % от начальной массы, что в свою очередь приводит к снижению горючести материалов на их основе. Основными поставщиками фенолформальдегидных связующих и препрегов на их основе для изготовления деталей интерьера самолета являлись зарубежные фирмы Hexcel и Cytec (США).

При рассмотрении конструкции панели пола можно отметить, что она, как правило, представляет собой «сэндвичевую» (сотовую) конструкцию. В настоящее время российские производители пассажирских самолетов, такие как АО «Гражданские самолеты Сухого» (АО «ГСС»), ПАО «ВАСО», ОАО «КАПО имени С.П. Горбунова», АО «Авиастар-СП», применяют панели пола европейских производителей или изготовленные из импортных композиционных материалов. Так, АО «ГСС» использует панели, произведенные компанией B/E Aerospace (США), ПАО «ВАСО» – панели пола компании AIM Composites Ltd (США), ОАО «КАПО имени С.П. Горбунова» и АО «Авиастар-СП» – панели пола компании Hexcel [6, 7]. Это результат ухудшившейся экономической ситуации в стране в 1990-х гг., появления на рынке огромного количества импортных аналогов, снижения качества изготовления отечественных панелей пола и, как следствие, отказа от их использования в пользу иностранных изделий более низкой стоимости и отработанных в плане технологий. Пример тому – отказ конструкторов КБ «Туполев» в пользу иностранного аналога от использования заготовок панелей пола в производстве самолетов семейства Ту-204 на основе гибридной ткани марки Т-42/1-76, сотового заполнителя марок ПСП или ССП и связующего марки ЭП-2МК. Данный отказ связан главным образом с высокой стоимостью исходных материалов (гибридной ткани СВМ), ухудшением качества изготавливаемых панелей, повлекшим за собой получение нестабильных как прочностных, так и эксплуатационных характеристик. Панели пола плохо поддавались механической обработке, так как в процессе материал на основе гибридной ткани «мохрился», что требовало последующей доработки панелей. При этом данный вид заготовок панелей пола не уступал, а по некоторым параметрам даже превосходил, импортные панели пола, однако применяемые для их изготовления разработанные (почти 30 лет назад) материалы уже не соответствовали современным прочностным и эксплуатационным показателям, а также нормам по пожаробезопасности, дымовыделению и горючести. Данная тенденция относится ко многим отечественным композиционным материалам, поскольку с каждым годом Международная организация гражданской авиации (ИКАО) ужесточает требования к материалам, применяемым для изготовления деталей салона самолета, а разработка отечественных композиционных материалов, удовлетворяющих данным требованиям, в последние десятилетия проводилась в незначительном объеме или не проводилась совсем.

Одним из основных эксплуатационных требований, предъявляемых к современным пассажирским самолетам, является наличие системы обеспечения подачи воздуха, необходимого для дыхания пассажиров и экипажа, в салон. Система кондиционирования воздушного судна – это сложный комплекс высокотехнологичных устройств, общая масса которых может достигать 600 кг. При этом конструктивные элементы СКВ располагаются во многих частях воздушного судна. В 1980-х гг. были разработаны отечественные композиционные материалы для облегчения массы системы и улучшения ее эксплуатационных свойств. Постепенно комплектующие нового типа стали внедряться в практическое производство воздушных судов различного класса. Однако в связи с серьезным экономическим кризисом, возникшим в государстве, внедрение таких композиционных материалов было приостановлено. В результате в настоящее время наибольшее распространение получили зарубежные композиционные материалы, используемые не только для производства конструктивных элементов СКВ, но и для изготовления других компонентов воздушных судов. Во многом это связано с высокими требованиями к пожарной безопасности: современные композиционные материалы должны соответствовать нормам по выделению газа и дыма в процессе горения.

С учетом изложенного ранее, а также в связи с импортозамещением в ключевых отраслях промышленности Российской Федерации для создания комфортных и безопасных условий в современных пассажирских самолетах во время полета, появляется необходимость в разработке новых отечественных материалов (в том числе для салона самолета), отвечающих современным, постоянно ужесточающимся, требованиям.

Материалы и методы

В настоящее время международным стандартом отделки салона пассажирского самолета является применение специальных панелей, состоящих из трех слоев: это, как правило, специализированная тканевая основа, сотовый наполнитель (для обеспечения прочности и гибкости) и декоративный наружный слой. Такая конструкция панелей соответствует всем требованиям по пожаробезопасности и эксплуатационным требованиям [8].

Панели пола разделяют на четыре основных вида: панели зоны входа и выхода, зоны прохода между креслами, подкресельной и багажно-грузовой зон. К каждой из зон в конструкции самолета предъявляются разные требования (к материалу панелей, их прочности, массе и др.), однако все материалы должны отвечать современным требованиям АП-25 (Приложение F, Часть 1) (FAR-25).

Панели пола, так же как и интерьерные панели, представляют собой трехслойные конструкции (рис. 2).

Рис. 2. Состав трехслойной сотовой панели: 1 – обшивка; 2 – клеевая пленка; 3 – сотовый заполнитель; 4 – полимерный заполнитель (сферопласт)

В настоящее время при проектировании ЛА закладывают сложнопрофильные элементы воздуховодов СКВ (тройники, патрубки, трубы и т. д.), что необходимо для экономии пространства в самолете. В Российской Федерации почти все производители современных воздушных судов применяют данные элементы, полученные из металлов. Однако ввиду высоких трудоемкости и энергоемкости процесса изготовления, большой массы и склонности к коррозии таких элементов у разработчиков возникла необходимость в применении для них ПКМ, что позволит не только сократить цикл изготовления деталей, но и уменьшить массу всей системы в целом [9, 10]. Полимерные композиционные материалы имеют еще одно преимущество перед металлами – у них отсутствует коррозия.

Рис. 3. Элементы воздуховодов системы кондиционирования воздуха

Результаты и обсуждение

Рассмотрим каждый из перечисленных ранее элементов конструкции салона самолета отдельно.

Внутренняя отделка салона воздушного судна

Для использования в процессе интерьерной отделки салона воздушного судна во ФГУП «ВИАМ» разработана технология изготовления сотовых конструкций, состоящих из бумажных сот и обшивок из стеклонаполнителя и эпоксиизоцианатного связующего марки ЭП-2МК [11]. Данные панели на момент производства полностью отвечали необходимым условиям по пожарной и эксплуатационной безопасности [12, 13]. В дальнейшем разработка была направлена на использование других пожаробезопасных материалов, способных в ряде случаев к самопроизвольному затуханию в случае возгорания [14, 15].

В 1980-е гг. ввиду возрастания требований к характеристикам пожаробезопасности используемых материалов (добавилось требование по уровню тепловыделения [16]) во ФГУП «ВИАМ» разработаны фенолформальдегидное связующее марки ФП-520 и стеклопластики на его основе, которые удовлетворяли новому требованию по тепловыделению. В ходе применения материалов на основе связующего ФП-520 выявлены некоторые недостатки, в том числе низкая прочность сцепления обшивки с сотами при отслаивании (30 Н/76 мм). Для получения качественного сцепления прочность при отдире обшивки должна быть 80–100 Н/76 мм.

Для достижения необходимых механических характеристик и удовлетворения требований по пожаробезопасности во ФГУП «ВИАМ» разработаны фенолформальдегидное связующее марки РС-Н, стеклонаполнитель марки Т-15(П)-76 и стеклопластик на его основе, применяемый для изготовления монолитных и трехслойных панелей интерьера самолета. Благодаря разработанным материалам достигнуты необходимые механические характеристики для панелей интерьера салона воздушного судна (табл. 1).

Таблица 1

Свойства стеклопластиковых панелей интерьера салона воздушного судна

Согласно данным зарубежной научно-технической литературы, для изготовления деталей различной кривизны и переменной толщины (боковые и оконные панели, проемы) применяется метод crush-core. Данная технология позволяет сократить цикл формования трехслойных деталей до 10 раз. Изготовление деталей происходит в прессе или пресс-форме при повышенных температурах (120–150 °С) и давлении (до 25 МПа). Продолжительность формования детали составляет от 8 до 40 мин.

Производство панелей для внутренних интерьеров воздушных судов по технологии crush-core уже освоено специалистами ФГУП «ВИАМ». При этом используется преимущественно сырье от отечественных производителей. В процессе производства в значительной степени сокращены временны́е издержки, что также стало возможно благодаря применению инновационных материалов [17]. Кроме того, использование разработанных материалов позволило сократить цикл формования трехслойной панели в 6 раз.

Следует отметить, что данные материалы по своим прочностным и пожаробезопасным свойствам находятся на уровне импортных аналогов [18, 19].

Панели пола

Обшивка панелей пола – это элемент трехслойной сотовой конструкции, основными функциями которого является обеспечение жесткости обшивки при изгибе и сдвиге в ее плоскости, а также передача нагрузок в той же плоскости. В самолетостроении наиболее распространено изготовление обшивок сэндвич-конструкций из препрега прессовым методом, поскольку препреговая технология является отработанной и дает стабильный результат – получение качественного продукта недорогим и относительно простым, по сравнению с вакуумным, методом. В этом случае не требуется использование вспомогательных слоев. Чаще всего в качестве обшивок панелей пола используют полуфабрикаты (препреги), пропитанные связующим на основе фенолформальдегидных олигомеров.

В настоящее время одним из перспективных направлений является применение ПКМ на основе однонаправленных стеклонаполнителей, а в качестве связующего – высокопрочных и наполненных пленочных клеев с пониженной горючестью (клеевых препрегов) [20–22]. Отличительная особенность клеевых препрегов – возможность реализации технологии изготовления конструкции из ПКМ одинарной и сложной кривизны (монолитных, сотовых и интегральных, когда формирование обшивки и ее приклеивание к сотовому заполнителю происходят
за единый цикл формования).

Применение препрегов на основе клеевого связующего позволит сократить цикл формования конструкций в 2–3 раза, а трудоемкость сотовых панелей – до 50 %, по сравнению с изготовлением панелей по технологии с отдельным формованием обшивки. При этом уменьшается количество технологических операций в 3 раза, число оснасток – в 1,5–2 раза, а масса конструкции (особенно с сотовым заполнителем) – на 30–50 % [23]. Основные технические характеристики заготовок панелей пола (ЗПП) представлены в табл. 2.

Во ФГУП «ВИАМ» разработаны препреги на основе клеевого связующего с пониженной горючестью (ВСК-14-6) и угленаполнители для изготовления панелей пола, а также вся необходимая нормативная документация на материалы (ТУ, ТИ, паспорт) и панели пола на их основе. В табл. 3 представлены основные свойства (минимальные) ЗПП в зависимости от применяемых материалов и количества слоев в обшивках (стекло-, угле- или гибридные).

Установлено, что полученные характеристики удовлетворяют необходимым требованиям, предъявляемым к ЗПП.

Таблица 2

Необходимые технические характеристики заготовок панелей пола (ЗПП)

в салоне воздушного судна

Таблица 3

Основные технические характеристики разработанных

трехслойных заготовок панелей пола (ЗПП) в салоне воздушного судна

Система кондиционирования воздуха

В мировой практике уже многие годы элементы СКВ изготавливают из ПКМ. Данные элементы подразделяются на два вида: жесткие (получают на основе препрегов стеклопластиков) и гибкие (изготавливают на основе тканепленочных материалов с армирующим каркасом в виде спирали). Основными производителями элементов воздуховодов СКВ из ПКМ являются следующие компании: зарубежные – BWT Senior Aerospace (Англия), Flexco Composite (США), Flexfab (США), Technifab (США); отечественные – ОКБ «Аэрокосмические системы».

Применение ПКМ для сложнопрофильных воздуховодов СКВ отечественных самолетов позволит уменьшить трудоемкость, продолжительность изготовления и энергозатраты [24].

В настоящее время во ФГУП «ВИАМ» отработаны технологические режимы изготовления и освоены в серийном производстве как жесткие, так и гибкие элементы СКВ [25]. При изготовлении данных элементов используются материалы только отечественного производства, которые, в свою очередь, позволяют получать продукцию, отвечающую всем современным требованиям по пожаробезопасности (АП-25, Приложение F, Часть 1) и герметичности [26, 27].

На рис. 4 представлен технологический процесс получения заготовки СКВ из ПКМ – от создания 3D-модели до конечной детали, а на рис. 5 изображены серийно изготовленные элементы СКВ.

Рис. 4. Технологический процесс изготовления формообразующей оснастки и заготовки системы кондиционирования воздуха (СКВ) из ПКМ: а – математическая модель детали;
б – изготовление мастер-модели; в – выкладка оснастки; г – формообразующая оснастка
из стеклопластика; д – выкладка детали; е – формование детали; ж – готовая заготовка СКВ из ПКМ

Рис. 5. Жесткие (а) и гибкие (б) элементы системы кондиционирования воздуха

Заключения

Разработанные во ФГУП «ВИАМ» материалы на основе фенольных связующих позволяют удовлетворить требования, предъявляемые к деталям интерьера салона самолета (как к механическим характеристикам, так и к характеристикам пожаробезопасности).

Применение клеевых препрегов для изготовления заготовок панелей пола снижает зависимость их производства от импортных материалов с сохранением прочностных характеристик.

Внедрение разработанных заготовок (жестких и гибких) из ПКМ для СКВ летательных аппаратов позволяет добиться снижения массы воздуховодов от 35 до 50 %.