Тканепленочный материал ВРТ-9 для надувной оболочки авиационных спасательных трапов
Разработан материал ВРТ-9 для надувной оболочки авиационных спасательных трапов. Материал ВРТ-9 представляет собой ткань из волокна СВМ с двух-сторонним полиуретановым покрытием, содержащим антипирены. С лицевой стороны материала нанесен защитный теплоотражающий слой. Изучены физические, физико-механические свойства материала и горючесть как в исходном состоянии, так и после воздействия климатических факторов. По свойствам разработанный материал отвечает требованиям международного технического стандарта TSO-C69c и нормам АП-25 по пожаробезопасности.
* Работа выполнена при участии Н.Е. Маловой, И.И. Бычковой.
Согласно статистическим данным, одной из причин гибели людей при летных происшествиях является пожар, возникающий вследствие аварийного приземления воздушного судна. Для быстрой и безопасной эвакуации пассажиров необходимо наличие спасательных надувных трапов, имеющих достаточную пропускную способность и гарантирующих безотказную работу на протяжении всего периода эвакуации. Федеральной Авиационной Администрацией (FAA) установлены технические стандарты TSO, регламентирующие минимальные технические требования, предъявляемые к материалам, изделиям и приборам, используемым на гражданских воздушных судах. На спасательное оборудование (трапы и надувные плоты) распространяются требования технического стандарта TSO-C69c.
В настоящее время на российских пассажирских самолетах эксплуатируются спасательные надувные трапы на основе отечественных резинотканевых материалов. Данные материалы имеют ряд существенных недостатков: высокая поверхностная плотность при минимальных прочностных характеристиках, несоответствие требованиям стандарта TSO-C69c по стойкости к тепловому потоку [1].
Таким образом, разработка отечественных материалов для надувной оболочки аварийно-спасательного трапа, отвечающих требованиям технического стандарта TSO-C69c, является актуальной задачей. Важно отметить, что разработка тканепленочных материалов входит в стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года [2].
Предварительный анализ отечественной и зарубежной литературы, посвященной созданию материалов, используемых для надувных спасательных средств, показал, что в качестве материалов тканевой основы оболочки спасательного трапа наиболее применимы полиамид (Nylon-6,6) [3–8], полиэфир (лавсан) [9–10], полиарамид [11] или их комбинации [12]. Как правило, в качестве полимерного покрытия используют композицию на основе полиуретанового эластомера [6, 8], что обеспечивает высокие характеристики газонепроницаемости, прочности и износостойкости.
В качестве основы материала ВРТ-9 выбрана ткань из волокна СВМ, имеющая поверхностную плотность ~70 г/м2, прочность при разрыве 637/664 Н/см (по основе/по утку), удлинение при разрыве 8,8/9,5% (по основе/по утку). Ткань из волокон СВМ наиболее оптимальна с точки зрения массы, горючести и прочностных характеристик [13].
Покрытие для материала выполнено на основе полиуретанового каучука для придания материалу свойств пожаробезопасности, в состав полимерной композиции введены антипирены [14]. Для вулканизации системы добавлен сшивающий агент полиизоцианат [15].
Технология изготовления материала основана на нанесении раствора полимерной композиции тонкими штрихами на тканевую основу шириной 95 см с последующей сушкой образца после каждого слоя. Состав наносят на техническую ткань с двух сторон до общей массы 1 м2 230–240 г таким образом, чтобы соотношение по привесу между лицевой и изнаночной стороной варьировалось как 1:(2–3). С целью обеспечения устойчивости материала к тепловому потоку (одно из условий технического стандарта TSO-C69c) с лицевой стороны нанесено теплоотражающее покрытие до общего привеса 258 г/м2. Далее материал вулканизуют при повышенной температуре и давлении.
Для определения технических характеристик материала и оценки соответствия требованиям стандарта TSO-C69c проведено изучение физических и физико-механических свойств разработанного материала.
Физические свойства тканепленочного материала ВРТ-9 для надувной оболочки спасательного трапа:
Масса 1 м2, г (ГОСТ 17073–71) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 258 |
Толщина, мм (ГОСТ 17073–71) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 0,180 |
Стойкость к воздействию теплового потока 1,7 Вт/см2, с (ММ 1.595-20-363–2008) . . . | ≥900 |
Газопроницаемость по водороду, л/(м2·сут) (М 38-59-629–2007) . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 1,06 |
Гигроскопичность, % (ГОСТ 3816-47) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 1,8. |
Согласно требованиям стандарта TSO-C69c, газопроницаемость по водороду должна быть не более 10 л/(м2·сут), стойкость к тепловому потоку мощностью 1,7 Вт/см2 (сохранение герметичности при избыточном давлении в условиях теплового излучения) – не менее 180 с. Таким образом, физические свойства разработанного материала существенно превосходят необходимые минимальные требования, установленные стандартом. Высокие барьерные свойства материала обеспечены благодаря использованию в покрытии полиуретанового каучука, обладающего низкими значениями газопроницаемости [16, 17], и многократному нанесению тонких штрихов полимерной композиции на ткань (перекрывают дефекты предыдущих слоев). Устойчивость к тепловому потоку обеспечивает теплоотражающее покрытие.
Механические характеристики материала ВРТ-9 для надувной оболочки спасательного трапа при различных температурах приведены в табл. 1.
Таблица 1
Механические свойства тканепленочного материала ВРТ-9 для надувной оболочки спасательного трапа при различных температурах
Характеристика | Значения характеристики при температуре, °С | |||
-60 | +20 | +100 | +120 | |
Прочность при разрыве, Н/см (ГОСТ 17316–71): |
|
|
|
|
по основе | 823 | 703 | 587 | 623 |
по утку | 916 | 866 | 734 | 707 |
Относительное удлинение, % (ГОСТ 17316–71): |
|
|
|
|
по основе | 5,4 | 6,9 | 4,4 | 5,2 |
по утку | 5,6 | 7,6 | 5,1 | 5,1 |
Сопротивление раздиранию, Н (ГОСТ 17074–71): |
| |||
по основе | 148 | |||
по утку | 139,2 | |||
Технический стандарт TSO-C69c также регламентирует прочностные характеристики материалов для надувных спасательных средств: прочность при разрыве должна быть не менее 330 Н/см. Сопоставление механических свойств материала и минимальных требований стандарта показывает существенный запас прочности материала ВРТ-9 в температурном диапазоне от -60 до +120°С. Высокие механические характеристики материала обеспечены благодаря применению сверхпрочной ткани из волокон СВМ. Кроме того, ткани СВМ более термостойкие и менее горючие в сравнении с полиэфирными и полиамидными тканями. К недостаткам данных тканей можно отнести их высокую стоимость.
Другой важной характеристикой авиационных материалов является их пониженная пожарная опасность [18–21], в частности горючесть. Методика испытания и необходимые требования к материалам по горючести описаны в АП-25 (Приложение F, Часть 1). Результаты испытания материала ВРТ-9 на горючесть приведены в табл. 2.
Таблица 2
Испытание тканепленочного материала ВРТ-9 для надувной оболочки спасательного трапа на горючесть согласно АП-25 (Приложение F, Часть 1)
Направление вырезки образца | Продолжительность экспозиции в пламени горелки, с | Продолжительность остаточного горения, с | Длина обугливания, мм | Классификация |
средние значения | ||||
По основе | 12 | 1 | 135 | Самозатухающий |
По утку | 12 | 2 | 127 | |
На основании результатов проведенных испытаний материал классифицируется как самозатухающий, что позволяет применять его на воздушных судах. Необходимая степень пожарной безопасности тканепленочного материала достигнута при использовании антипиренов в составе полимерной композиции покрытия и применения в качестве основы ткани из волокон СВМ, имеющей высокое значение кислородного индекса [22].
Для определения возможности эксплуатации изделий из материала ВРТ-9 в различных климатических условиях проведены испытания основных характеристик материала после воздействия соответствующих климатических факторов (табл. 3).
Таблица 3
Основные физические и физико-механические свойства тканепленочного материала ВРТ-9 после воздействия климатических испытаний (2–5*)
Свойства | Значения свойств после испытаний | ||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
Стойкость к воздействию теплового потока | ≥900 | ||||
Газопроницаемость по водороду, л/(м2·сут) (М 38-59-629–2007) | 1,06 | 0,84 | 2,2 | 0,97 | 0,74 |
Прочность при разрыве, Н/см (ГОСТ 17316–71): |
|
|
|
|
|
по основе | 703 | 678 | 752 | 787 | 624 |
по утку | 866 | 794 | 873 | 862 | 724 |
Относительное удлинение, % (ГОСТ 17316–71): |
|
|
|
|
|
по основе | 6,9 | 6,1 | 6,6 | 7,1 | 4,5 |
по утку | 7,6 | 6,6 | 6,0 | 6,1 | 6,2 |
Сопротивление раздиранию, Н (ГОСТ 17074–71): |
|
|
|
|
|
по основе | 148,0 | 149,6 | 188,9 | 171,6 | 176,0 |
по утку | 139,2 | 169,6 | 171,6 | 148,6 | 149,2 |
Горючесть по АП-25 (Приложение F, Часть 1) | Самозатухающий | ||||
*1 – в исходном состоянии;
2 – после теплового ресурса в течение 100 ч при 100°С (ОСТ 6-10-422–78);
3 – после теплового ресурса в течение 200 ч при 100°С (ОСТ 6-10-422–78);
4 – после воздействия циклического перепада температур -60D+100°С в течение 8 циклов (ГОСТ 9.707–81);
5 – после испытания в тропической камере в течение 3 мес по режиму: 8 ч при 50°С, φ=98%; 12 ч при 20°С, φ=98%; 4 ч при 20°С, φ=65% (СТП 1-595-20-100–2002).
Таким образом, показано, что материал ВРТ-9, отвечает требованиям технического стандарта TSO-C69c и АП-25 по горючести как в исходном состоянии, так и после воздействия климатических факторов.
Для сравнения изучены свойства зарубежного аналога – тканепленочного материала арт. М-11849-5 фирмы «Air Cruisers Company» (США) и отечественного материала арт. 8-238 Уфимского ЗЭМИК (табл. 4).
Таблица 4
Сравнительные характеристики тканепленочных материалов для надувной оболочки спасательного трапа
Характеристика | Значения характеристик | |||
по требованиям TSO-C69c | ВРТ-9 | зарубежного аналога –материала арт. М-11849-5 | отечественного аналога –материала арт. 8-238 | |
Масса 1 м2, г | – | 258 | 262 | 440 |
Прочность при разрыве, Н/см: по основе по утку |
330 330 |
703 866 |
724,4 582,7 |
360 350 |
Стойкость к тепловому потоку 1,7 Вт/см2, с | ≥180 | ≥900 | ≥180 | Не соответствует |
Газопроницаемость по водороду, л/(м2·сут) | ≤10 | 1,06 | Соответствует | |
Горючесть | Самозатухающий | |||
В сравнении с применяемым в настоящие время отечественным материалом арт. 8-238 разработанный тканепленочный материал ВРТ-9 с теплоотражающим покрытием в 1,7 раза более легкий, при этом в 2 раза более прочный, кроме того, отвечает требованиям международного стандарта TSO-С69c по стойкости к тепловому потоку мощностью 1,7 Вт/см2. Ткань ВРТ-9 в сравнении с зарубежным аналогом – материалом арт. М-11673 фирмы «Air Cruisers Company» (США) – сопоставим по уровню свойств.
Разработанный тканепленочный материал ВРТ-9 соответствует требованиям технического стандарта TSO-C69с, нормам АП-25 по пожаробезопасности и рекомендован к опробованию для изготовления надувной оболочки спасательных трапов пассажирских самолетов.
- Кирин К.М. Перспективные пожаробезопасные текстильные материалы для при-менения в гражданской авиации: Автореф. канд. технич. наук. М. 2004. 16 с.
- Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» /В сб. Авиационные материалы и техноло-гии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные мате-риалы и технологии») М.: ВИАМ. 2012. С. 7–17.
- Pat. 4723628 US. Опубл. 09.02.1988.
- Pat. 4519782 US. Опубл. 28.05.1985.
- Pat. 4714637 US. Опубл. 22.12.1987.
- Pat. 6536715 US. Опубл. 25.03.2003.
- Pat. 4233102 US. Опубл. 11.11.1980.
- Pat. 4332049 US. Опубл. 11.11.1980.
- Pat. 2006029759 US. Опубл. 09.02.2006.
- Пат. 2068892 Рос. Федерация. Опубл. 10.11.1996.
- Pat. 5393595 US. Заявл. 28.02.1995.
- Pat. 4274526 US. Опубл. 23.01.1981.
- Мусина Т.К., Волохина А.В. и др. Полиимидные и арамидные волокна и нити со специальными свойствами и изделия на их основе //В мире оборудования. 2010. №2. С. 4–8.
- Chattopadhyay D.K., Webster D.S. Thermal stability and flame retardancy of polyurethanes //Progress in Polymer Science. 2009. V. 34. №10. Р. 1068–1133.
- Кондрашов Э.К., Козлова А.А., Малова Н.Е. Исследование кинетики отвержде-ния фторполиуретановых эмалей алифатическими полиизоцианатами различных типов //Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 48–49.
- Левант М.Г., Пономарев П.А. Создание отечественных материалов для изготов-ления оболочек воздухоплавательных комплексов //Полет. 2008. №12. С. 57–60.
- Sadeghi M., Semsaradeh M.A., Barikani M., Ghalei B. Study on the morphology gas permeation property of polyurethane membranes //J. of Membrane Science. 2011. V. 385–386. Р. 76–85.
- Барботько С.Л. Пожаробезопасность авиационных материалов /В сб. Авиацион-ные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к жур-налу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 431–439.
- Барботько С.Л., Кириллов В.Н., Шуркова Е.Н. Оценка пожарной безопасности полимерных композиционных материалов авиационного назначения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №3. С. 56–63.
- Барботько С.Л., Голиков Н.И. О комплексной оценке пожарной опасности мате-риалов //Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т. 17. №6. С. 16–24.
- Барботько С.Л., Шуркова Е.Н. Вольный О.С., Скрылев Н.С. Оценка пожарной безопасности полимерных композиционных материалов для внешнего контура авиационной техники //Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 56–59.
- Платонов М.М., Нестерова Т.А., Назаров И.А., Бейдер Э.Я. Пожаробезопасный материал на текстильной основе с полиуретановым покрытием для надувной обо-лочки спасательного трапа //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 50–54.