В XXI веке углепластики становятся основным конструкционным материалом для авиационной техники гражданского назначения. Зарубежные фирмы такие как «Airbus» и «Boeing» работают над задачей повышения объема применения углепластиков до 60% от массы конструкций. Российские авиастроители, также стремятся увеличить объемы элементов конструкций выполняемых из углепластиков в своих новых машинах «ОАО» Сухого» в SSJ NG и корпорация «Иркут» в МС-21. Решение этой задачи вполне реально, учитывая свойства и качество углепластиков, их стоимость, экономичность в производстве и развитие технологий и оборудования. На сегодняшний день фирма «Airbus» является лидером по применению ПКМ в конструкции самолета A350 – 53% от массы планера.

Увеличение объемов применения углепластиков в силовых и высоконагруженных ответственных конструкциях, требует новых подходов в обеспечении надежности и безопасности эксплуатации авиационной техники.

Важной проблемой, связанной с обеспечением надёжности эксплуатации самолетов, является обеспечения молниезащищенности самолетных конструкций из углепластиков выходящих на внешнюю поверхность аэродинамического контура, доля которых в планере составляет более 30 % масс.

Конструкционные углепластики являются слабыми проводниками (их сопротивление на 3-4 порядка выше, чем у металлов), незащищенные углепластиковые конструкции при поражении молнией получают повреждения, недопустимые по ресурсным и эксплуатационным требованиям. Применение конструкционных углепластиков в конструкции летальных аппаратов возможно только при условии их молниезищищенности [1-3].

Наиболее подвержены ударам молний концевые участки летательных аппаратов (ЛА): носовая часть, законцовки крыльев, руля высоты и стабилизатора, антенны, гондолы двигателей и т. п. В связи с тем, что воздействие молнии на поверхности летательного аппарата неодинаково, всю поверхность планера условно подразделяют на три зоны. Зона А (зона прямых разрядов молнии) - это поверхности летательного аппарата, для которых существует высокая вероятность первоначальных (прямых) разрядов молнии и на которые воздействуют токи с максимальными параметрами (I=200 кА, Q = 200 Кл); Зона В (зона смещающихся или скошенных разрядов) – это поверхности летательного аппарата, для которых существует высокая вероятность перемещения разрядов из зоны 1. Интенсивность токов молнии в этой зоне несколько ниже, чем в зоне А (I=200 кА, Q = 20 Кл). Зона С - поверхности летательных аппаратов, не вошедшие в зоны А или В.

При поражении молнией металлических конструкций, повреждения носят, как правило, локальный характер и имеют вид кратеров или сквозных отверстий, образующихся в результате плавления или сублимации сплавов. Например, дюралевая обшивка толщиной 1 мм при прямом попадании молнии получает повреждения в виде сквозного отверстия диаметром 6 мм.

В отличие от металлов, углепластик получает повреждения в виде  сквозного пробоя, pacщeплeния и растрескивания на десятки сантиметров от канала разряда, эрозии и расслоения материала и, как следствие, отрыв слоев в потоке воздуха при полете. Такой характер разрушения объясняется термической  природой процесса, обусловливающей взрыв материала продуктами деструкции связующего.

Для современных летательных аппаратов разработаны различные варианты защиты от молнии. Все существующие системы молниезащиты заключаются в обеспечении близких (по отношению к свойствам металлических конструкций) величин поверхностной электро- и теплопроводности. Достигается это путем нанесения на поверхность углепластиковых обшивок сплошных или дискретных металлических молниезащитных покрытий (МЗП). Используются, в частности, молниезащитные системы на основе приклеенной фольги или напыленных металлов (алюминий, медь, никель), медных или алюминиевых шин, сеток. При этом такие параметры, как, например, толщина покрытия, шаг шин, диаметр проволоки и величина ячейки, выбираются в зависимости от возможного характера воздействия молнии на конкретный агрегат [4].

Большинство применяемых до настоящего времени вариантов защиты имеют весьма ограниченные возможности. Практически ни одна из молниезащитных систем не отвечает в полном объеме требованиям норм летной годности по молниестойкости, весовой эффективности, аэродинамическим характеристикам, эксплуатационной надежности.

Во ФГУП «ВИАМ» в течение ряда лет проводятся исследования по созданию молниезащитных покрытий входящих в структуру углепластиков. Данные исследования позволили сформулировать требования к физическим свойствам молниестойкого материала и основные принципы конструкционных МЗП для углепластиков:

1. Дробление канала молнии (увеличение точек привязки);
2. Повышение электропроводности поверхностного слоя;
3. Повышение температуры деструкции матрицы;
4. Создание многовекторности растекания электрического разряда:

-                     Включение в работу 2-го слоя ткани;

-                     Создание трансверсальной электропроводности;

5. Включение МЗП в расчет прочности и жесткости.

Итогом исследований явилось создание молниезащитных углеродных покрытий, обладающих способностью к дроблению канала молнии, высокими значениями проводящих характеристик, высокой теплостойкостью материала, ограничивающих степень его разрушения.

Преимущества МЗП на основе углеродного наполнителя, содержащего наноразмерные частицы [5-7]:

1. Снижение площади поражения с 65 см² (отслоение бронзовой сетки) до 4 см² (эрозия связующего);
2. Отсутствие увеличения веса конструкции при нанесении МЗП на основе углеродного наполнителя с УНЧ (при нанесении бронзовой сетки привес составляет 80-310 г/м²);
3. Исключение протекания коррозионных процессов на границе раздела Бронзовая сетка-Углепластик;
4. Включение слоев МЗП с УНЧ в силовую схему конструкции изделия (механические свойства МЗП с УНЧ аналогичны свойствам углепластика силовой части конструкции, а МЗП из бронзовой сетки используется только для молниезащиты);
5. Возможность проведения ремонта МЗП с УНЧ в случае поражения молнией (восстановить сплошность МЗП из бронзовой сетки невозможно).

Другим новым направлением повышения безопасности и надежности эксплуатации углепластиковых конструкций является переход от традиционных материалов к материалам нового типа - информкомпозитам. Информкомпозиты –  материалы с интегрированными сенсорами. Одними из видов перспективных сенсоров являются волоконно-оптические датчики. Это датчики физических величин на основе решеток показателя преломления Брэгга. Являясь датчиками деформации, они так же могут выполнять роль датчиков температуры [8-9].

В странах ЕС и США успешно реализован целый ряд пилотных проектов по внедрению и эксплуатации систем контроля состояния механизмов, агрегатов и конструкций, подвергающихся механическим и тепловым нагрузкам различного характера с применением волоконных брэгговских решеток (ВБР). В частности, такие системы прошли успешные испытания для контроля состояния автомобильных и железнодорожных мостов, линий электропередач; для измерения распределения механических нагрузок в конструктивных материалах лопастей вертолетов и крыльев самолетов. Во многих случаях (особенно если речь идет о распределенных измерениях в условиях повышенной взрыво- и пожароопасности, об удаленной регистрации стационарных и динамических процессов) отмечается отсутствие альтернативных способов измерения. Уже сейчас авиационными властями США принято решение, что с 2017 года в стране не будет эксплуатироваться ни один самолет, который не будет иметь в конструкции крыла оптоволоконные датчики с брэгговскими решетками.

Во ФГУП «ВИАМ» проводятся исследования по созданию и совершенствованию информкомпозитов, в том числе с интегрированными оптоволоконными сенсорами на основе решеток Брэгга [10-13]. Разработана технология изготовления углепластика с интегрированными оптоволоконными сенсорами, позволяющая сохранить стабильность работы датчика при изготовлении и эксплуатации. Проведены исследования чувствительности опто-волоконной системы, в том числе в процессе ударного воздействия на углепластик.

Разработанная система встроенного контроля на основе оптоволоконных Брэговских решеток опробована для контроля деформаций в строительных конструкциях и для мониторинга нагрузки на дорожное полотно.