Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2016-0-8-8-8
УДК 678.8
Р. А. Сатдинов, Е. А. Вешкин, В. И. Постнов, С. В. Стрельников
ВОЗДУХОВОДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ ПКМ В ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ

Проведен обзор литературы в области материалов для воздуховодов низкого давления в системе кондиционирования воздуха. Проведено сравнение основных отечественных и импортных материалов для изготовления воздуховодов. Определены требования для разработки конкурентоспособного отечественного материала для изготовления элементов воздуховодов низкого давления из полимерных композиционных материалов (ПКМ).


Введение

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 17.2. «Разработка стеклопластика на основе ткани с низкой поверхностной плотностью и пожаробезопасного быстроотверждаемого связующего ВСФ-16М» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

Снижение массы конструкции как инструмент повышения экономической эффективности летательных аппаратов является одной из приоритетных задач развития современной авиационной техники. В решении данной проблемы при создании самолетов все более широкое применение находят полимерные композиционные материалы (ПКМ). Стратегия развития до 2030 года предусматривает создание ПКМ нового поколения [2], отвечающих требованиям, предъявляемым к современной авиационной технике. В настоящее время в РФ предусмотрено создание нового семейства ближне-среднемагистральных самолетов, и одной из важнейших задач при проектировании пассажирских салонов самолетов является создание системы кондиционирования воздуха (СКВ).

Система кондиционирования воздуха – одна из главных бортовых систем жизнеобеспечения, которая предназначена для обеспечения нормальных условий жизнедеятельности пассажиров и экипажа, поддержания необходимых параметров воздуха в кабине и салоне, охлаждения радиоэлектронного оборудования во всем диапазоне режимов полета (при полетах в различных климатических условиях) [3, 4].

Основные требования к работе СКВ и ее подсистем сводятся к следующему:

– должна обеспечивать заданные значения по давлению, влажности и газовому составу воздуха в кабине на всех режимах полета и на земле независимо от внешних климатических условий;

– температура воздуха в кабине экипажа и в пассажирских салонах самолета должна задаваться и управляться независимо;

– должна предусматриваться возможность обогрева и охлаждения кабин на земле без запуска двигателей с помощью бортовых и наземных устройств;

– на самолетах с продолжительностью полета больше 2 ч необходимо предусматривать систему увлажнения для поддержания относительной влажности в кабине не менее 25%.

В основе проектирования воздухопроводов СКВ лежат следующие положения:

– разработка материалов, отвечающих требованиям АП-25 (FAR-25) [5], – должны быть самозатухающими при испытаниях в вертикальном положении; средняя длина обугливания не должна превышать 203 мм, а средняя продолжительность горения после удаления источника воспламенения не должна превышать 15 с; отделяющиеся от испытуемого образца капли не должны гореть после падения в среднем более 5 с;

– минимальная масса и высокая надежность при эксплуатации в течение всего технического ресурса самолета;

– геометрические размеры (диаметр и конфигурация) должны обеспечивать допустимое гидравлическое сопротивление;

– применение современных технологий при изготовлении и монтаже; обеспечение компенсации температурного расширения и деформации мест крепления на летательном аппарате, герметичности воздухопровода;

– разработка технологий изготовления материала (полуфабриката) и конструкции из него, при этом технологии должны быть энергосберегающими с низкой трудоемкостью.

Совершенствование СКВ и обеспечение с их помощью комфортных условий в современных пассажирских самолетах во время полета входят в число важнейших факторов, определяющих конкурентоспособность самолета.

 

Материалы и методы

Современные ПКМ [6, 7], а также конструкции и изделия из них (трехслойные панели [8, 9], монолитные пластики и т. д.) находят широкое применение в авиастроительном комплексе всего мира благодаря таким качествам, как высокая прочность, коррозионная стойкость и низкая плотность. На мировом рынке композитов лидируют США, Европа, Япония и Китай. За рубежом объем использования ПКМ в конструкциях современных самолетов достигает 50% по массе, например Boеing 787 (США) – 50%, Airbus A-380 (Европа) – 30%, Airbus A-350 (Европа) – 50%.

В настоящее время при проектировании летательных аппаратов в их конструкцию закладываются сложно профилированные воздуховоды низкого давления – тройники, трубы, патрубки и т. п. (рис. 1), что обусловлено экономией места. Данные элементы в РФ изготавливают в основном из металлических материалов, однако большая трудоемкость их изготовления, энергозатратный процесс, необходимость снижения массы самолета и коррозия таких элементов в процессе эксплуатации заставляют разработчиков современной авиационной техники искать материалы с более низкой плотностью, которые обеспечивают необходимые эксплуатационные требования к конструкции СКВ. ПКМ – ввиду особенностей технологии их изготовления [10, 11] – позволят сократить трудоемкость и энергоресурсы при изготовлении изделий. Кроме того, меньшая плотность позволит увеличить весовую эффективность конструкций. У ПКМ, в отличие от металлов, отсутствует коррозия.

 

 

Рис. 1. Сложнопрофильные элементы воздуховодов

 

На пассажирских самолетах общая длина воздухопроводов СКВ достигает нескольких сот метров, а масса 500–600 кг, что составляет 40–50% массы всей системы. Воздуховоды СКВ располагаются в гондолах двигателей, центроплане, проходят по пассажирским салонам и кабине экипажа.

 

 

Рис. 2. Элементы воздуховода низкого давления системы кондиционирования воздуха из ПКМ

 

Как упоминалось ранее, в РФ до настоящего времени элементы СКВ изготавливают из металлов или импортных ПКМ. Это объясняется тем, что в нашей стране разработка ПКМ для сложнопрофилированных воздуховодов низкого давления СКВ в последние десятилетия не проводилась, а разработанные ранее полимерные материалы не отвечают постоянно ужесточающимся требованиям АП-25, а также имеют длительный цикл изготовления. Ведущие мировые производители авиационной техники (Boeing, Airbas) применяют в конструкции СКВ в основном ПКМ (рис. 2).

 

Результаты

Для снижения массы сложнопрофильных воздуховодов низкого давления СКВ необходимо применение материалов с низкой плотностью. Кроме того, в системе СКВ наряду с толстостенными сложнопрофильными элементами присутствуют и тонкостенные, для изготовления которых необходим армирующий наполнитель с низкой поверхностной плотностью– не более 120 г/м2, обеспечивающий нужную толщину и герметичность. В табл. 1 представлены для сравнения основные характеристики стекло-тканей, применяемых в качестве наполнителей стеклопластиков, отечественных и зарубежных производителей.

 

Таблица 1

Основные характеристики стеклонаполнителей
отечественных и зарубежных производителей

Свойства

Значения свойств стеклонаполнителей

А-1

Т-64 (ВМП)

Т-15(П)-76

Т-11

Porcher 120

Porcher 7781

Толщина ткани, мм

0,1±0,01

0,09±0,01

0,19±0,03

0,3

0,11±0,01

0,2

Поверхностная плотность, г/м2

110±10

100±5

160±16

385±12

105±5

295±15

Плотность тканей,
нитей/см:

– по основе

– по утку

 

 

20±1

20±1

 

 

25±1

24±1

 

 

24±1

18±1

 

 

22±1

13±1

 

 

24±1

23±1

 

 

23±1

21±1

Разрывная нагрузка, Н, (не менее):

– по основе

– по утку

 

 

589

589

 

 

900

500

 

 

785

589

 

 

2842

1666

 

 

301

245

 

 

923

856

Тип поверхностной

обработки (переплетение)

Полотняное

Сатин
четырех-ремизный

Сатин 5/3

Сатин 8/3

или 5/3

4HS

8HS

 

Видно, что прочностные показатели отечественных стеклотканей не уступают свойствам зарубежных аналогов.

Главным преимуществом металлических сплавов перед ПКМ до недавнего времени были пожаробезопасные свойства, которые обеспечиваются в ПКМ полимерной матрицей (связующим). Для получения стеклопластиком свойств, отвечающим требованиям АП-25, Приложение F, Часть 1, необходимо провести выбор связующего. В настоящее время за рубежом выпускают много марок пожаробезопасных связующих, однако для импортозамещения в самолетостроении необходимы отечественные связующие. Во ФГУП «ВИАМ» создано новое поколение пожаробезопасных фенолформальдегидных связующих [12, 13] марок РС-Н и ВСФ-16М, а также разработаны стеклопластики на их основе. В табл. 2 представлены сравнительные характеристики импортных и отечественных связующих.

 

Таблица 2

Сравнительные характеристики импортных и отечественных
связующих и стеклопластиков на их основе

Свойства

Значения свойств

ВСФ-16М

РС-Н

CYCOM® 2265 Phenolic Resin System

QC 2550,
126-40-146

Внешний вид, цвет

Однородный раствор
коричневого цвета

Однородный
прозрачный раствор красно-коричневого цвета без механических включений

Раствор
черного цвета

Массовая доля нелетучих веществ, %

72–80

69–76

38–44

50

Условная вязкость при температуре 20±1°С по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 6 мм, с

20–60

10–65

Время желатинизации при температуре 130±2°С, мин

1–3

3–6

7–17 (121°С)

Сравнительный анализ показывает, что разработанные отечественные связующие по своим показателям не уступают зарубежным аналогам.

Для формирования свойств конкурентоспособного низкопористого стеклопластика [14] для изготовления воздуховодов низкого давления СКВ необходимо провести сравнение характеристик отечественных и зарубежных аналогов [15, 16]. В табл. 3 показаны сравнительные характеристики стеклопластиков отечественного и зарубежного производства.

 

Таблица 3

Сравнительные характеристики отечественных и зарубежных препрегов
и стеклопластиков на их основе

Свойства

Значения свойств

отечественного аналога

марки ВПС-39П

зарубежного аналога на основе препрега марки

DAN 407 (PHG 831-44-40), Германия

HexPly 200, США

Тип связующего

фенольное

Масса стеклонаполнителя, г/м2

160

105

305

Нанос связующего, %

40–45

40–45

35–40

Масса препрега, г/м2

265–295

170–190

470–490

Предел прочности, МПа:

– при растяжении

– при изгибе

– при сжатии

 

360

530

270

 

300

500

250

 

520

490

365

Плотность, г/см3

1,6

1,9

Горючесть

Самозатухающий

Трудносгорающий

Режим формования:

– температура, °С

– время, мин

 

140

60

 

140

50

 

135

90

 

Видно, что основное отличие между отечественным и зарубежными аналогами – длительный режим формования стеклопластика. Анализ основных характеристик материалов создает перспективу разработки конкурентоспособной продукции для СКВ. Планируется провести работу по разработке материала на основе пожаробезопасного связующего и стеклоткани с низкой поверхностной плотностью, что отвечает предъявляемым к воздуховодам низкого давления СКВ требованиям. Основные характеристики разрабатываемого материала в сравнении с аналогами показаны в табл. 4.

 

Таблица 4

Основные характеристики разрабатываемого материала в сравнении с аналогами

Свойства

Значения свойств

разрабатываемого

стеклотекстолита

зарубежного аналога
на основе препрега

марки DAN 407
(PHG831-44-40),
Германия

отечественного аналога
по назначению – стеклотекстолита марки ВПС-19

Предел прочности при сжатии, МПа (не менее)

250

250

184

Плотность, г/см3 (не более)

1,9

1,9

1,92

Горючесть

Трудносгорающий

Режим формования:

– температура,°С

– время, мин

 

140

20

 

140

50

 

150

360

Предел прочности при сжатии разрабатываемого стеклотекстолита будет превосходить аналогичную характеристику российского аналога – стеклопластика марки ВПС-19 – на 25%, цикл формования разрабатываемого стеклопластика будет короче в 2–3 раза. Время отверждения у разрабатываемого стеклотекстолита будет на 25% меньше, чем у зарубежного.

 

Обсуждение и заключения

Анализ источников литературы отечественных и зарубежных материалов для изготовления воздуховодов низкого давления СКВ в летательных аппаратах показал, что разработка конкурентоспособного стеклопластика на основе ткани с низкой поверхностной плотностью и пожаробезопасного быстроотверждаемого связующего для изготовления элементов воздуховодов низкого давления систем кондиционирования воздуха являются крайне востребованной задачей. Для авиастроения решение данной задачи позволит обеспечить современным пассажирским самолетам конкурентоспособность в сравнении с зарубежными аналогами при высокой эксплуатационной надежности и комфорте пассажиров.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
2. Каблов Е.Н. России нужны материалы нового поколения // Редкие земли. 2014. №3. С. 8–13.
3. Каблов Е.Н., Кириллов В.Н., Жирнов А.Д., Старцев О.В., Вапиров Ю.М. Центры для климатических испытаний авиационных ПКМ // Авиационная промышленность. 2009. №4. С. 36–46.
4. Каблов Е.Н., Гращенков Д.В., Ерасов В.С., Анчевский И.Э., Ильин В.В., Вальтер Р.С. Стенд для испытания на климатической станции ГЦКИ крупногабаритных конструкций из ПКМ // Сб. докл. IX Международ. науч. конф. по гидроавиации «Гидроавиасалон–2012». 2012. С. 122–123.
5. Барботько С.Л., Кириллов В.Н., Шуркова Е.Н. Оценка пожарной безопасности по-лимерных композиционных материалов авиационного назначения // Авиационные материалы и технологии. 2012. №3. С. 56–63.
6. Справочник по композиционным материалам / под ред. Дж. Любина. М.: Машино-строение, 1988. 446 с.
7. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология / под ред.
А.А. Берлина. СПб.: Профессия, 2009. 556 с.
8. Минаков В.Т., Постнов В.И., Швец Н.И., Застрогина О.Б., Петухов В.И., Макрушин К.В. Особенности изготовления трехслойных сотовых панелей с полимерным заполнителем горячего отверждения // Авиационные материалы и технологии. 2009. №3. С. 6-9.
9. Кондрашов Э.К., Постнов В.И., Петухов В.И., Кавун Н.С., Абрамов П.А., Юдин А.А., Барботько С.Л. Исследование свойств трехслойных панелей на модифицированном связующем ФПР-520Г // Авиационные материалы и технологии. 2009. №3. С. 19–23.
10. Постнова М.В., Постнов В.И. Опыт развития безавтоклавных методов формования ПКМ // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №4. Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 17.04.2016). DOI 10.18577/2307-6046-2014-0-4-6-6.
11. Вешкин Е.А., Постнов В.И., Стрельников С.В., Абрамов П.А., Сатдинов Р.А. Опыт применения технологического контроля полуфабрикатов ПКМ // Известия Самарского научного центра РАН. 2014. Т. 16. №6 (2). С. 393–398.
12. Застрогина О.Б., Швец Н.И., Постнов В.И., Серкова Е.А. Фенолформальдегидные связующие нового поколения для материалов интерьера // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 265–272.
13. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Чурсова Л.В., Коган Д.И. Новые полимерные свя-зующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ // Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 38–42.
14. Вешкин Е.А. Особенности безавтоклавного формования низкопористых ПКМ // Труды
ВИАМ электрон. науч.-технич. журн. 2016. №2. Ст. 07. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 20.04.16). DOI 10.1857/2307-6046-2016-0-2-7-7.
15. Компания Gurit: офиц. сайт. URL: http://www.mobile.gurit.com (дата обращения: 25.05.2016).
16. Компания Hexcel: офиц. сайт. URL: http://www.hexcel.com (дата обращения: 30.05.2016).
1. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030»] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
2. Kablov E.N. Rossii nuzhny materialy novogo pokoleniya [Materials of new generation are necessary to Russia] // Redkie zemli. 2014. №3. S. 8–13.
3. Kablov E.N., Kirillov V.N., Zhirnov A.D., Startsev O.V., Vapirov Yu.M. Centry dlya klimaticheskikh ispytanijj aviacionnykh PKM [The centers for climatic tests of aviation PCM] // Aviacionnaya promyshlennost. 2009. №4. S. 36–46.
4. Kablov E.N., Grashhenkov D.V., Erasov V.S., Anchevskijj I.Eh., Ilin V.V., Valter R.S. Stend dlya ispytaniya na klimaticheskojj stancii GCKI krupnogabaritnykh konstrukcijj iz PKM [The stand for testing for the GTsKI climatic stations of large-size designs from PCM] // Sb. dokl. IX Mezhdunarod. nauch. konf. po gidroaviacii «Gidroaviasalon–2012». 2012. S. 122–123.
5. Barbotko S.L., Kirillov V.N., Shurkova E.N. Ocenka pozharnoj bezopasnosti polimernyh kompozicionnyh materialov aviacionnogo naznacheniya [Assessment of fire safety of polymeric composite materials of aviation assignment] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №3. S. 56–63.
6. Spravochnik po kompozicionnym materialam / pod red. Dzh. Lyubina [Directory on composite materials / ed. by Dzh. Lyubin]. M.: Mashinostroenie, 1988. 446 s.
7. Polimernye kompozicionnye materialy: struktura, svojjstva, tekhnologiya / pod red. A.A. Berlina [Polymeric composite materials: structure, properties, technology / ed. by A.A. Berlin]. SPb.: Professiya, 2009. 556 s.
8. Minakov V.T., Postnov V.I., Shvec N.I., Zastrogina O.B., Petukhov V.I., Makrushin K.V. Osobennosti izgotovleniya trekhslojjnykh sotovykh panelejj s polimernym zapolnitelem goryachego otverzhdeniya [Features of manufacturing of three-layered cellular panels with polymeric filler of hot curing] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2009. №3. S. 6–9.
9. Kondrashov Eh.K., Postnov V.I., Petukhov V.I., Kavun N.S., Abramov P.A., Yudin A.A., Barbotko S.L. Issledovanie svojjstv trekhslojjnykh panelejj na modificirovannom svyazuyushhem FPR-520G [Research of properties of three-layered panels on modified binding FPR-520G] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2009. №3. S. 19–23.
10. Postnova M.V., Postnov V.I. Opyt razvitiya bezavtoklavnyh metodov formovaniya PKM [Development experience out-of-autoclave methods of formation PCM]// Trudy VIAM: elektron. nauch.-tekhnich. zhurn. 2014. №4. St. 06. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: April 17, 2016). DOI 10.18577/2307-6046-2014-0-4-6-6.
11. Veshkin E.A., Postnov V.I., Strelnikov S.V., Abramov P.A., Satdinov R.A. Opyt primeneniya tekhnologicheskogo kontrolya polufabrikatov PKM [Experience of application of technological control of semi-finished products of PCM] // Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra RAN. 2014. T. 16. №6 (2). S. 393–398.
12. Zastrogina O.B., Shvets N.I., Postnov V.I., Serkova E.A. Fenolformaldegidnye svjazuyushhie novogo pokoleniya dlya materialov interera [Phenolformaldehyde binding new generation for interior materials] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 265–272.
13. Muhametov R.R., Ahmadieva K.R., Chursova L.V., Kogan D.I. Novye polimernye svyazujushhie dlya perspektivnyh metodov izgotovleniya konstrukcionnyh voloknistyh PKM [New polymeric binding for perspective methods of manufacturing of constructional fibrous PCM] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2011. №2. S. 38–42.
14. Veshkin E.A. Osobennosti bezavtoklavnogo formovaniya nizkoporistykh PKM [Features of out-of-autoclave forming of poor-porous PCM] // Trudy VIAM elektron. nauch.-tekhnich. zhurn. 2016. №2. St. 07. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: April 20, 2016). DOI 10.1857/2307-6046-2016-0-2-7-7.
15. Available at: http://www.mobile.gurit.com (accessed: May 25, 2016).
16. Available at: http://www.hexcel.com (accessed: May 30, 2016).
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.