Введение

С каждым годом в мире увеличивается производство полимерных композиционных материалов (ПКМ) благодаря все большему их использованию в различных деталях самолетов, авиационных двигателей, спортинвентаре, автомобилях и других изделиях [1–3]. Широкое применение получили углепластики в специальных отраслях промышленности, что связано с их уникальными характеристиками. В первую очередь это небольшая плотность и высокие прочностные характеристики, что позволяет им конкурировать с традиционными металлами. Высокий модуль упругости делает углепластик незаменимым материалом во многих конструкциях. Преимущество углепластиков также является их стойкость к климатическим воздействиям, агрессивным средам, вибрационным нагрузкам и истиранию в температурных условиях как Арктики, так и тропического климата [3–5].

Современные самолеты все больше оснащают электронными системами навигации и жизнеобеспечения, которые являются неотъемлемой частью безопасности полетов. В свою очередь планер самолета и другие его конструкционные детали все чаще изготавливают из ПКМ. Это приводит к повышению требований по безопасности полетов в сложных метеоусловиях, а именно ‒ по защите конструкций самолета и электроники, находящейся под панелями обшивки, от воздействия разрядов молний [6].

В середине прошлого века металлы (в основном алюминиевые сплавы) являлись самыми распространенными материалами для изготовления внешнего контура планера самолета. Поскольку данные сплавы ‒ хорошие проводники электрического разряда, то вопрос защиты самолета от попадания молний так остро не стоял. На металлических деталях планера самолета в местах попадания молнии образуются локальные зоны плавления или сублимации из-за мгновенного подъема температуры до нескольких сотен градусов за счет энергии разряда тока и саморазогрева материала. В результате образуются незначительные повреждения в виде отверстий или углублений на поверхности металла. Конструкторы тогда закладывали в расчеты коэффициент запаса прочности и увеличивали толщину обшивки деталей, которые чаще всего подвергались воздействию молний [3, 4].

Современные авиаконструкторы должны учитывать, что конструкции из ПКМ необходимо защищать от поверхностного статического электричества и возможного попадания разряда молнии в летательный аппарат. Низкая электропроводимость ПКМ не позволяет надежно проводить токи молнии и защищать элементы, находящиеся внутри летательного аппарата под обшивкой. Во время полета возникновение отверстий, расщепление и расслоение армирующего наполнителя, выгорание связующего могут привести к серьезным последствиям под действием набегающего потока воздуха [3, 5].

Разрушение конструкций из ПКМ обусловлено термическим процессом, который сопровождается взрывом материала под действием продуктов разложения полимерного связующего. Если конструкция изготовлена из стеклопластика или органопластика, то она с большой долей вероятности будет полностью разрушена электротермическим и электродинамическим воздействием молнии [6].

Молнии попадают в самолеты довольно часто (рис. 1) – в среднем один раз за 3000 ч полета. Самолеты могут подвергаться воздействию молниевого разряда не только в полете, но и на земле. Наиболее опасным для летательного аппарата является попадание молнии при взлете или посадке, так как в данном случае самолет станет проводником электричества между тучей и землей. По статистике молнии чаще попадают в самолеты с двигателями, расположенными сзади, но и самолетам с двигателями на пилонах крыла не избежать попадания молнии [7].

Рис. 1. Результаты ударов молнией в конструкции самолета [7]

Статистика показывает, что чаще всего удары молнии приходятся на носовой обтекатель самолета. Он защищает радиолокационные станции, которые находятся под ним, от воздействия факторов окружающей среды в процессе полета, а также придает самолету аэродинамические свойства. Материалы для носового обтекателя должны обладать не только высокой механической прочностью, но и низкой относительной диэлектрической проницаемостью, чтобы не изменять характеристики электромагнитных волн, проходящих через них. Однако увеличение прочности чаще всего приводит к повышению относительной диэлектрической проницаемости [7].

Стеклопластик – полимерный композиционный материал (ПКМ), который в большей степени подходит для применения в обтекателях самолетов, однако он является диэлектриком. При попадании молнии носовой обтекатель может разрушиться, что приведет к потере аэродинамических свойств самолета и катастрофическим последствиям. Но даже если обтекатель выдержал удар молнии и не разрушился, то в большинстве случаев будут выведены из строя системы навигации и радиолокации, которые находятся под ним, что дезориентирует самолет в пространстве. Очень важно исследовать влияние молниевых разрядов на конструкции самолета и предупреждать возможные последствия таких воздействий [8].

Углепластики за счет использования в их составе электропроводящих углеродных наполнителей и полимерного связующего, не проводящего ток, находятся в промежуточном положении между диэлектриками, такими как стеклопластики и органопластики, и алюминиевыми сплавами. У углепластиков электропроводимость в тысячи раз меньше, чем у металлов, поэтому для защиты углепластиковых конструкций самолета от молниевого разряда также требуются специальные материалы и покрытия [8].

Материалы для молниезащиты конструкций из ПКМ

в авиационной технике и требования к ним

Поскольку ПКМ плохо проводят электрический ток либо являются диэлектриками, то защита конструкций самолета, изготовленных из ПКМ, является важнейшей задачей для обеспечения безопасности полетов.

Принцип обеспечения защиты ПКМ от молниевого разряда заключается в придании им электро- и теплопроводящих свойств, близких к характеристикам металлов. Существует множество способов достижения данной цели, которые основаны на нанесении на поверхность металлических молниезащитных покрытий (МЗП). В зависимости от конструкции самолета и вероятности попадания молнии авиаконструктор принимает решение о применении того или иного МЗП.

При разработке МЗП необходимо обеспечить надежность защиты с учетом экономических и эксплуатационных требований, а именно:

‒ сохранение целостности конструкции самолета с покрытием после попадания молнии;

‒ отсутствие увеличения массы конструкции при нанесении покрытия;

‒ низкая стоимость, технологичность и доступность компонентов покрытия;

‒ сохранение маневренности и скоростных режимов самолета при нанесении покрытия;

‒ исключение дополнительных затрат горючего на преодоление увеличения массы конструкции за счет нанесенного покрытия;

‒ отсутствие коррозионных процессов на границе «конструктивная часть изделия–МЗП»;

‒ ремонтопригодность конструкций с покрытием [7–9].

Один из способов придания молниезащитных свойств композиту ‒ добавление (вплетение) в структуру металлических проволок. Диаметр проволоки обычно находится в диапазоне от 25 до 250 мкм. В качестве материала проволоки чаще всего используют медь, которая не образует с углеродным волокном контактную пару. Иногда используют луженую оловом медь для лучшей защиты металла от коррозии и контакта в местах пересечения проволоки для равномерного рассеивания электрического разряда. Алюминий по сравнению с медью имеет меньшую плотность и стоимость, но проблема применения алюминиевых проволочек заключается в контакте с углеволокном, в результате которого с течением времени алюминиевые проволочки разрушаются. Поскольку проволока переплетена внутри углепластика, то возможно повреждение ниже наружной поверхности конструкции из ПКМ [10].

Такая технология защиты от молний позволяет избежать значительного увеличения массы самолета, а следовательно, исключить дополнительные затраты горючего и сохранить его маневренность, так как препрег углепластика с металлической проволокой входит в конструктивно-силовую схему изделия и формуется в едином технологическом цикле [10, 11].

Существует технология нанесения покрытия из алюминия, меди и никеля на поверхность стеклянных и углеродных волокон. В молниезащитном покрытии отдельные волокна могут воспринимать значительное количество электрического тока благодаря термической связи между металлом и волокном. Например, стеклянное волокно за счет хорошего теплоотвода позволяет металлическому покрытию выдерживать значения силы тока в 2 раза больше, чем обычно может восприниматься таким же объемом чистого алюминия. В области попадания молнии некоторое количество алюминия будет испаряться по типу взрыва, а поврежденная площадь будет зависеть от интенсивности тока и количества алюминия на препреге. Конструкции самолета, в том числе из ПКМ, покрывают грунтовками и эмалями, которые будут сдерживать выделяющиеся при попадании молнии газы от взрыва, что приводит к дополнительному воздействию на композит, причем дополнительное количество повреждений будет связано с массой покрывающего материала. Такой метод молниезащиты работоспособен только для массивных защитных конструкций [11].

Для молниезащиты авиационных конструкций, в том числе мотогондол современных двигателей, может применяться приведенная на рис. 2 система материалов. Для уменьшения массы конструкции целесообразно применять выравнивающее покрытие типа SynSkin, состоящее из связующего с интегрированной в него металлической сеткой (рис. 3) или фольгой. При традиционной технологии изготовления МЗП требуется на стеклопластиковую подложку (для защиты металла от коррозии с углепластиком) нанести слой клея с дальнейшим выкладыванием металлической сетки или фольги. Далее требуется выравнивание поверхности изделия с помощью клея, грунтовки и эмали. Покрытие типа SynSkin может заменить сразу пять слоев в данной системе, что облегчит конструкцию и уменьшит трудоемкость нанесения МЗП [11, 12].

Рис. 2. Система материалов для изготовления авиационных конструкций

Рис. 3. Металлическая молниезащитная сетка [12]

Эксперименты показывают, что применение металлических МЗП существенно снижает размер поражения конструкций из углепластиков. Разрушение заключается в сублимации металлического покрытия на площади нескольких сантиметров и эрозии связующего в двух-трех верхних слоях углепластиковой конструкции.

Существуют также разработки МЗП без применения металлов в качестве проводников электрического тока для уменьшения массы конструкций из ПКМ. Для придания электропроводящих и теплопроводных свойств ПКМ используют углеродные проводящие частицы (сажа, графит, технический углерод) и различные наномодификаторы, которые добавляют в полимерные связующие. Но практика показывает, что такие МЗП хуже выдерживают попадание разряда молнии и практически не применяются в авиации [11].

Разработчики и производители материалов для молниезащиты

Работы по исследованию и разработке молниезащитных систем за рубежом были начаты в 1980-х годах практически всеми ведущими странами мира. В США работы в данной области проводят такие фирмы, как Boeing, LCI Logic, General Eleсtric, Lord Corporation, Goodrich Corporation; в Германии – EADS; в Великобритании – Chelton Electrostatics; в Японии – Mitsubishi Electric, Poliplastics; в Испании – Const Aeronauticas, Airbus; во Франции – Aerospatiale societe Nationale Industriel; в Сингапуре – Agency science tech&res [11].

Основным разработчиком в области составов МЗП является фирма Boeing, где в основном применяют молниезащитные системы на основе приклеенной фольги или напыленных металлов (алюминий, медь, никель), медных или алюминиевых шин и сеток. Наиболее перспективные разработки фирмы Boeing в области создания молниезащитных систем – это алюминиевая или медная проволока и покрытые алюминием или никелем углеродные волокна [11, 12].

Наиболее распространенный способ защиты углепластиковых конструкций за рубежом – это медные фо́льги фирмы Dexmet. Ее аналоги – медные прокатанные просечно-вытяжные фо́льги ‒ начали производить и в России.

В отечественной промышленности работы по созданию авиационных молниезащитных систем были начаты в конце 1980-х – начале 1990-х годов. Основные разработки ведут ОАО «МВЗ им. М.Л. Миля», ФГОУ ВПО НИУ«МЭИ», КБ «Салют» – филиал ГКНПЦ им. М.В. Хруничева и НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Отечественные разработки в основном ведутся в том же направлении, что и за рубежом – применение металлических элементов в молниезащитных системах. Недостатками таких разработок являются увеличение массы конструкции, проблемы коррозии металлов, а также трудоемкость процесса изготовления [11, 12].

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ долгие годы занимаются разработкой молниезащитных материалов. Результаты исследований по модификации связующего фуллереном С₆₀ и астраленом, обладающих высокой проводящей способностью, показали возможность получить в полимерной матрице цепочечную проводимость. Этот фактор позволяет увеличить трансверсальную проводимость, обеспечить многовекторность рассеяния электрического тока в двух и более слоях углеродного наполнителя МЗП, что значительно повышает надежность защиты внешнего контура углепластиковой конструкции от воздействия смещающихся разрядов молнии [13].

В мировой практике применение наномодификаторов в составе МЗП для повышения электропроводимости ПКМ предложено в ряде компаний (LCI Logic, Bocherens Eric, Chelton Electrostatics, Poliplastics, Agency science tech&res), но не реализовано из-за высокой стоимости и низкой технологичности ремонта [11].

В НИЦ «Курчатовский институт» ‒ ВИАМ также разработана металлоуглеродная ткань марки ВТкУ-2.280М с поверхностной плотностью 280 г/м² (рис. 4), в которой переплетены углеродные волокна типа Т-300 3К и медная луженая проволока диаметром 0,10–0,15 мм, что позволяет избегать коррозии при контакте с углеродным волокном. Препрег на ее основе может применяться как МЗП, которое входит в состав конструкции и воспринимает силовые нагрузки. Ткань ВТкУ-2.280М можно также использовать для вакуумной инфузии обшивок деталей и агрегатов из ПКМ, выходящих на внешний контур планера самолета [14].

Рис. 4. Ткань марки ВТкУ-2.280М,

разработанная в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ [11]

Выравнивающие композитные пленки типа SynSkin (в частности, марки LOCTITE EA 9837.1 AERO производства фирмы Loctite Aerospace), которые содержат легкие молниезащитные сетки или фольгу, можно использовать в составе композиционных материалов в качестве выравнивающего поверхностного слоя. Эти продукты обеспечивают намного более простую обработку и укладку, улучшенное качество поверхности отвержденной композитной детали [15].

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексной научной проблемы 13.2. «Конструкционные ПКМ» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).

Заключения

В связи с широким применением ПКМ в самолетостроении возникла проблема, связанная с защитой таких конструкций от попадания молнии. Обзор представленных в настоящее время технологий изготовления МЗП показал, что для молниезащиты ПКМ наибольшее применение получило использование на поверхности планера самолета металлических фо́льг и сеток. Это приводит к увеличению массы конструкции на 300‒400 г на каждый 1 м² поверхности ПКМ, что несколько ухудшает эффект снижения массы самолета от применения ПКМ. Остается также проблема возможности образования коррозии в контактной паре «углепластик–металл» [11].

В настоящее время активно проводятся научные исследования в области молниезащиты авиационной техники в различных университетах, институтах и компаниях, главным образом в США, Европе, России и Японии, которые направлены на создание МЗП из термостойких ПКМ на основе модифицированных наночастицами электропроводящих связующих [11, 12].