Введение

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) начали разрабатывать в первой половине ХХ века для военных, а впоследствии и гражданских целей. В число военных задач входили ударная и разведывательная функции, а также использование БПЛА в качестве мишеней при обучении. По сравнению с пилотируемой авиацией, БПЛА обладают рядом преимуществ: безопасность для оператора, большая мобильность, невысокая стоимость производства и эксплуатации. Отсутствие необходимости в участии пилота позволяет не только избежать потерь летного состава, но и уменьшить число конструкционных ограничений, снизить массу аппарата. Все это повышает эффективность ведения оборонительных и наступательных боевых действий [1–3].

Развитие технологий привело к активному использованию БПЛА на гражданском рынке. В настоящее время беспилотная авиация, помимо военной отрасли, используется более чем в 20 сферах деятельности. В них входят контроль состояния производственных объектов, строительных площадок, нефте- и газопроводов, мониторинг природных ресурсов, научные исследования, аэрофотосъемка, доставка грузов и охрана. Так, аппараты, находящиеся на вооружении МЧС России, применяют для обнаружения пожаров и наводнений. Как показывают данные опроса 2020 года, количество заявок на эксплуатацию БПЛА в сфере услуг по сравнению с предыдущим годом увеличилось в 2 раза [1, 4–6].

В России БПЛА производят более 70 предприятий. Из наиболее известных аппаратов можно отметить «Орлан», «Зала», «Орион», «Форпост», а также находящийся в настоящее время в разработке «Охотник» [1, 7, 8].

Тенденция к уменьшению массогабаритных параметров и повышению маневренности БПЛА способствует росту потребности в создании новых материалов, в частности композиционных [3, 7, 9]. Благодаря таким материалам возможно создание более прочных и легких элементов конструкции аппарата, что повышает его летно-технические характеристики [2].

Композиционные материалы интересны в первую очередь тем, что их характеристики можно направленно регулировать путем подбора составляющих компонентов и тем самым получать материалы с требуемыми уникальными эксплуатационными и технологическими свойствами. Благодаря этому они широко применяются в высокотехнологичных отраслях. Наиболее распространены полимерные композиционные материалы (ПКМ), мировой рынок которых непрерывно растет. В России основной объем потребления ПКМ составляют стекло- и углепластики. Прочностные свойства таких материалов максимально реализуются при армировании непрерывными волокнами [10, 11].

В настоящее время наблюдается увеличение объема применения неметаллических конструкционных материалов относительно металлических. Изделия из ПКМ обладают высокой прочностью в сочетании с меньшей, чем у изделий из металла, массой. За счет этого преимущества они активно и успешно используются в авиационной отрасли. Если в конце прошлого века объем применения ПКМ в летательных аппаратах составлял 10–15 %, то в последнее время он достиг 60 % и более в пилотируемых аппаратах, 80 % и более – в беспилотных (рис. 1) [12–15].

Рис. 1. Объем применения полимерных композиционных материалов (ПКМ)

в летательных аппаратах [15]

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Углепластики

Углепластик – наиболее широко используемый в аэрокосмической отрасли ПКМ, обладающий низкой тепло- и электропроводностью, невысоким температурным коэффициентом линейного расширения, износостойкостью при трении. Он отвечает основным требованиям, предъявляемым к материалам для авиационных конструкций, таким как жесткость, усталостная долговечность и коррозионная стойкость. Но главной особенностью углепластика является его исключительное соотношение прочности к массе: высокие показатели прочности и модуля упругости при растяжении сочетаются с низкой плотностью. Это позволяет производить более легкие конструкции летательных аппаратов, что, в свою очередь, повышает их энергоэффективность, увеличивает полезную нагрузку и продолжительность полета [16–18].

Например, в работе [19] рассмотрена модернизация двух вариантов БПЛА путем замены металлических отсеков конструкции корпуса и ракетного двигателя твердого топлива на аналогичные детали из углепластика. Экономия в стартовой массе обоих образцов приводит к увеличению дальности полета.

Из углепластиков часто изготавливают фюзеляж, силовой набор и обшивку крыла, различные типы оперения, шасси [16, 20–22]. Например, большая часть планера БПЛА «Орион» (рис. 2) изготовлена из ПКМ на основе углеродных волокон [23].

Рис. 2. Беспилотный летательный аппарат «Орион» [23]

Углепластики чаще всего изготавливают с применением связующих на основе эпоксидных смол. Среди видов армирующих волокон широко распространены однонаправленные жгуты и тканые полотна. Строение ткани (в частности, толщина нити и вид переплетения) влияют на характеристики готового материала [24]. Для изготовления БПЛА не только из углепластиков, но и из других ПКМ преимущественно используются относительно малозатратные  методы, такие как контактное или вакуумное формование. Это обусловлено требованием низкой себестоимости и выпуском аппаратов малыми сериями [25].

В работе [21] представлен процесс изготовления композитного лонжерона крыла БПЛА, предназначенного для перевозки грузов. Для лонжерона требовалось выбрать высокопрочный легкий материал с учетом прямоугольного сечения детали и предварительно рассчитанных нагрузок, действующих на крыло. Среди четырех рассматриваемых материалов – алюминиевого сплава, равнопрочных угле-, стекло- и органопластика – углепластик оказался наиболее подходящим, так как имел самое большое соотношение прочности к плотности, а также модуль упругости, почти равный модулю упругости алюминиевого сплава. Для того чтобы материал не растрескивался, в качестве сердцевины лонжерона использовали пенопласт высокой плотности. Это также облегчило изготовление детали, поскольку выкладку слоев ПКМ можно было осуществлять прямо на сердцевину, без применения пресс-форм. Лонжерон изготавливали методом ручной выкладки углеродной ткани с использованием эпоксидного связующего и отверждали при помощи вакуумного формования. Основное достоинство этого метода – в предотвращении возникновения пузырей и складок в материале. Слои остаются прижаты друг к другу до полного отверждения. Вакуумное формование применяется для получения ПКМ с высокой долей волокна [26].

Среди относительно новых методов изготовления углепластиков для небольших БПЛА набирают популярность аддитивные технологии, позволяющие быстро и экономно создавать конструкции сложной формы. Однако детали, изготовленные методом 3D-печати на основе непрерывного волокна, имеют значительно меньшую механическую прочность, чем углепластики, произведенные традиционными способами, что в данном случае ограничивает их использование. Причинами этого являются низкая объемная доля волокна в готовых изделиях – в среднем ~20 % (по сравнению с 60 % у слоистых углепластиков), а также анизотропия свойств и пористость материала [27, 28].

К приоритетным технологиям изготовления деталей для летательных аппаратов относится препреговая технология. Препрег – это полуфабрикат ПКМ на основе тканого или жгутового наполнителя, предварительно пропитанного связующим. Процесс производства препрега позволяет точно регулировать массовую долю связующего в полуфабрикате, благодаря чему удается избежать разнотолщинности и получить стабильные физико-механические свойства в готовом отвержденном материале. Препреги выпускают на различных типах связующих – как для автоклавного формования, так и для пропитки под вакуумом. Бо́льшая часть углепластиков в авиационных конструкциях изготовлена с использованием препрегов [29–34].

В работе [20] из препрега углепластика с однонаправленной укладкой волокна на основе эпоксидного связующего изготовлен предварительно спроектированный элемент шасси для БПЛА. Деталь (рис. 3) выложена из 12 слоев материала в стальную форму и отверждена в горячем прессе. Процесс отверждения под давлением включал в себя две стадии:

– выдержку при 80 °C продолжительностью 30 мин, в течение которой связующее размягчалось и полностью пропитывало волокно;

– выдержку при 120 °C продолжительностью 90 мин, во время которой происходило отверждение связующего.

Рис. 3. Элемент шасси БПЛА из углепластика [20]

В работе [22] для изготовления крыла БПЛА-планера использован препрег с эпоксидным связующим и однонаправленным углеродным наполнителем марки Gurit SE84LV. Материал выбрали из-за высокой прочности, жесткости и простоты создания из него многоэлементных деталей. Крыло состоит из нижней и верхней частей обшивки со встроенными в них лонжеронами и внутренней ферменной конструкции, обеспечивающей сдвиговую прочность и поддержку обшивки (рис. 4). Все составляющие части крыла отверждали при помощи вакуумного формования совместно за один цикл. Таким образом, шестиметровая деталь получена без вторичных операций (сборка, склеивание). Такой метод позволяет сократить время и стоимость изготовления композитных конструкций.

Рис. 4. Поперечное сечение крыла БПЛА-планера из углепластика [22]

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработаны клеевые препреги – материалы, для изготовления которых применяют связующие расплавного типа на основе составов высокопрочных и термостойких клеев (рис. 5). Главная их особенность – возможность сборки слоистых и сотовых конструкций простой и сложной кривизны за одну технологическую операцию. Готовая деталь герметична, обладает высокими прочностными свойствами, трещиностойкостью и весовой эффективностью. Клеевые связующие сочетают в себе реологические характеристики обычных связующих и адгезионные свойства клеев, отличаются высокой жизнеспособностью. Ассортимент клеевых препрегов расширяется благодаря применению различных по составу и свойствам клеевых композиций, а также разных видов наполнителей: жгутов, лент, тканей из углеродных и стеклянных волокон.

Рис. 5. Материалы, разработанные в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ,

и их применение в конструкции

Среди клеевых препрегов с углеродными наполнителями (марка КМКУ) можно выделить материалы с рабочей температурой 150 °C на основе связующего ВСК-14-3: препрег КМКУ-3м.150.UMT49, имеющий в своем составе жгуты российского производства марки UMT49S-12K, и препрег КМКУ-3м.150.SYT49(S), имеющий в своем составе жгуты марки SYT49(S)-12К производства КНР. Переработка препрега КМКУ-3м.150.UMT49 в изделие возможна как ручным, так и автоматизированным методом (метод ATL). Среди препрегов марки КМКУ с рабочей температурой 120 °C следует отметить препрег КМКУ-2м.120.Э0,1 на основе углеродной ленты ЭЛУР-П-КП [35–38]. Свойства углепластиков на основе вышеперечисленных препрегов приведены в табл. 1. Материалы могут использоваться для изготовления сложных деталей фюзеляжа БПЛА.

Таблица 1

Физико-механические свойства при температуре 20 °С

углепластиков из препрегов марок КМКУ

Стеклопластики

Если дорогостоящий углепластик чаще используется для изготовления высоконагруженных элементов конструкций военных БПЛА, то для гражданских и исследовательских целей подходит и более дешевый композиционный материал – стеклопластик (марка КМКС). Несмотря на меньшую стоимость, стеклопластики обладают высокой прочностью, гибкостью, жесткостью и стойкостью к химическому воздействию, а также вибростойкостью, радиопрозрачностью, тепло- и электроизоляционными свойствами. Такой набор характеристик в сочетании с плотностью, почти в 4 раза меньшей, чем у стали, делает этот материал универсальным [39–41].

В качестве связующего для стеклопластиков наиболее часто применяются эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные и фенольные смолы. Варьирование характеристик таких ПКМ возможно путем применения различных видов стеклянных наполнителей, таких как нити, жгуты, ткани и другие.

Механические свойства ПКМ зависят от прочности его составляющих – наполнителя и матрицы – и от прочности связи между ними, которая определяется адгезией связующего к наполнителю и величиной усадки полимера при отверждении. Максимальная прочность связи может быть обеспечена только при условии достаточной пропитки стеклянного наполнителя связующим [39, 40]. Это наглядно демонстрирует исследование, описанное в работе [41]. С целью подбора наиболее подходящего состава стеклопластика для изготовления БПЛА изготовили 4 вида образцов: на основе полиэфирной смолы и стеклоткани атласного плетения, полиэфирной смолы и стеклоткани саржевого плетения, эпоксидной смолы (Biresin CR 122) и стеклоткани атласного плетения, эпоксидной смолы и стеклоткани саржевого плетения. После отверждения по требуемым режимам все образцы прошли по два типа механических испытаний: на растяжение и на сопротивление повреждению при ударе. Большую прочность при растяжении показали образцы на основе стеклоткани саржевого плетения, так как образцы с тканью атласного плетения были недостаточно пропитаны, что наблюдалось и на этапе их изготовления. Из двух образцов с саржевым плетением большее значение прочности было у образца на основе эпоксидной смолы. Наибольшую ударопрочность также показали образцы со стеклотканью саржевого плетения и эпоксидной матрицей. Таким образом, этот состав композиционного материала выбрали в качестве оптимального.

На механические свойства ПКМ влияет также ориентация слоев наполнителя. В зависимости от места расположения деталей в частях летательного аппарата и нагрузок, которые они испытывают при эксплуатации, предпочтительнее использовать тот или иной тип укладки материала. Например, расчеты в работе [42] показали, что для деталей, испытывающих большие температурные нагрузки (например, фюзеляж), лучше подходит двунаправленная укладка (0°/90°), а для деталей, подверженных вибрациям (крылья, шасси), – угловая укладка (+45°/–45°).

Лопасть винта – одна из деталей, при изготовлении которых стеклопластики применяются наиболее часто. Ресурс и усталостная прочность у композитных лопастей больше, чем у металлических, что особенно важно при работе детали в условиях переменных нагрузок [40]. Лопасть из стеклопластика на основе ткани Т25(ВМ)-78 для БПЛА вертолетного типа разработана в работе [43] (рис. 6).

Рис. 6. Конструкция лопасти из стеклопластика для БПЛА вертолетного типа:
1 – лонжерон; 2 – наполнитель носка; 3 – свинцовые противофлаттерные грузы;
4 – наполнитель хвостика; 5 – обшивка [43]

Основной задачей при проектировании этой детали был выбор количества и направления укладки слоев ПКМ таким образом, чтобы система соосных несущих винтов аппарата выдержала требуемые нагрузки. Результаты расчетов показали, что конструкция лопасти наиболее эффективна при использовании 16 слоев материала с комбинацией направлений ориентации (0°/90°) и (+45°/–45°), при этом максимальное количество слоев с угловой укладкой (+45°/–45°) не должно превышать двух.

В работе [44] была поставлена задача проектирования еще одного вида несущей конструкции БПЛА – рамы квадрокоптера (рис. 7).

Рис. 7. Готовая рама квадрокоптера из стеклопластика [44]

Полученная деталь должна выдерживать эксплуатацию в условиях неблагоприятной погоды и перегрузок дополнительной массой, обладать достаточной для этого прочностью и при этом не быть слишком тяжелой. В прочностном расчете сравнили три материала: дюралюминий Д16-Т, стеклотекстолит КАСТ-В и органическое стекло СО-95-К. По итогам расчета наиболее подходящим по соотношению «прочность/масса» оказался стеклотекстолит, его использовали для изготовления рамы. Данный материал, помимо оптимальных механических свойств, удобен в обработке – можно использовать различные методы, такие как фрезерование, лазерная и гидроабразивная резка.

Радиопрозрачность стеклопластиков делает их незаменимыми материалами при изготовлении радиотехнических деталей летательных аппаратов. Их использование не только снижает массу конструкции, но и повышает ее технические характеристики благодаря своим диэлектрическим свойствам [40]. В беспилотных аппаратах активно используются радиопрозрачные обтекатели антенн [25] и крышки люков [45] из стеклопластиков, которые должны обеспечивать защиту оборудования от влияния внешней среды и минимальные искажения электромагнитных волн [40].

Изготовление деталей традиционным методом ручной выкладки, ручная сборка аппаратов и использование для ПКМ связующих холодного отверждения – длительные и трудозатратные процессы. В случае, когда необходимо масштабировать производство БПЛА, возможно применение других, более производительных технологий. В работе [45] предлагается увеличить производительность за счет проектирования конструкции «беспилотника» с повышенной степенью интегральности и сокращения цикла формования деталей. Проведен эксперимент по отверждению образцов из клеевого препрега марки КМКС-1.80.Т10.37 по ускоренным циклам (рис. 8) при повышенных температурах:

– цикл 1 – при температуре 140 °C в течение 60 мин с общей продолжительностью 150 мин;

– цикл 2 – при температуре 150 °C в течение 45 мин с общей продолжительностью 120 мин.

Стандартный цикл отверждения данного препрега включает в себя ступенчатый нагрев с выдержкой при температуре 80 °C в течение 60 мин и последующей выдержкой при температуре 125 °C в течение 120 мин. Общая продолжительность цикла составляет 4 ч 45 мин. У отвержденных образцов определили модуль упругости и коэффициент Пуассона. Значения механических свойств стеклопластиков, отвержденных по ускоренным циклам, оказались меньше, чем значения для стеклопластика, отвержденного по стандартному циклу. Это необходимо учитывать при интенсификации технологического процесса.

Рис. 8. Схема циклов отверждения препрега КМКС-1.80.Т10.37 [45]

Для изготовления радиопрозрачных деталей БПЛА могут быть использованы и другие препреги марки КМКС. В табл. 2 представлены свойства стеклопластиков из клеевых препрегов на основе связующего ВСК-14-2м и различных марок стеклотканей: Т-10, Т-15, высокомодульных Т-60 и Т-64 [37].

Таблица 2

Характеристики стеклопластиков препрегов марок КМКС-2м.120

Благодаря высоким удельным прочностным и упругим характеристикам и хорошей технологичности ПКМ из препрегов КМКС и КМКУ на основе клеевых связующих внедрены в конструкцию многих изделий авиационной и космической техники ведущих конструкторских бюро.  По своим свойствам они не уступают зарубежным аналогам [37, 38, 46].

К деталям и агрегатам, изготавливаемым с применением ПКМ из препрегов на основе клеевых связующих, относятся панели фюзеляжа, створки шасси, обтекатели, отдельные детали механизации крыла и оперения, воздухозаборный канал сотовой конструкции и т. д. [47].

Заключения

Создание новых БПЛА с улучшенными характеристиками по высоте и скорости полета наряду с уменьшением их радиозаметности – задача, активно реализуемая в настоящее время. Разработка и внедрение в конструкцию БПЛА новых композиционных материалов и технологий их производства являются одним из приоритетных направлений разработки и модернизации таких аппаратов, без которых невозможно их дальнейшее совершенствование. На протяжении последних двух десятков лет наблюдается постоянное увеличение доли использования ПКМ в конструкции БПЛА, что обусловлено главным образом требованиями по снижению массы и увеличению полезной нагрузки. В настоящее время из ПКМ можно изготавливать абсолютное большинство деталей для «беспилотников».

При изготовлении БПЛА широкое применение нашли углепластики благодаря высокой прочности и жесткости при низкой плотности, что делает их эффективным конструкционным материалом. Объем потребления стеклопластиков тоже остается на высоком уровне: физико-механические и диэлектрические свойства позволяют им успешно конкурировать с металлами. Препреговая технология, часто используемая для изготовления деталей из угле- и стеклопластиков, отличается удобством применения и возможностью создания конструкций сложной формы.

Одним из перспективных направлений при проектировании БПЛА является использование ПКМ на основе клеевых препрегов с углеродными и стеклянными наполнителями разработки НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Данные материалы обладают достоинствами ранее разработанных препрегов, но за счет использования клеевых матриц позволяют оптимизировать технологию сборки высоконагруженных сотовых и слоистых конструкций из неметаллических материалов, снизить трудоемкость одновременно с увеличением производительности, а также повысить ресурс, живучесть и герметичность конструкций.