Цехин Д.А.
ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПЛАНЕРА *
Аннотация:
в данной работе анализируется выбор конструкционного материала планера
Ключевые слова:
планер, материалы планера, самолетостроение
УДК 629.7
Цехин Д.А.
студент 5 курса, напр. «Самолето- и вертолетостроение»
Московский авиационный институт
(г. Москва, Россия)
ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПЛАНЕРА
Аннотация: в данной работе анализируется выбор конструкционного материала планера.
Ключевые слова: планер, материалы планера, самолетостроение.
Для современного авиастроения характерны высокие скорости, температуры и давления при одновременном воздействии агрессивной среды. Детали современного летательного аппарата и авиационного двигателя работают в тяжелых условиях: они испытывают действие больших нагрузок, переменных температур и химически активной вредной среды. Авиационный конструктор, создавая вертолет, самолет или двигатель, выбирает такие материалы, которые обеспечивают надежную длительную работу конструкции при наименьшем ее весе, легко обрабатываются, недороги и имеются в нашей стране в достаточном количестве. Среди наиболее важных требований, предъявляемых к конструкциям летательных аппаратов (ЛА) можно назвать: минимальную массу, максимальную жесткость и прочность узлов, максимальный ресурс работы конструкций в условиях эксплуатации, высокую надежность.
Таким образом, материалы, применяемые в авиационных конструкциях должны удовлетворять определенным требованиям:
иметь малый удельный вес;
иметь высокую прочность;
легко обрабатываться;
быть долговечными;
быть дешевыми и доступными.
Выбор конструкционных материалов в авиастроении оказывает существенную роль в обеспечении высокого уровня эксплуатационных характеристик, надежности деталей и узлов самолетов, эксплуатируемых в специфических условиях.
От качества материалов, применяемых в отечественной авиационной технике, в большой мере зависит ее конкурентоспособность.
В отечественной практике материалы по назначению подразделяются на конструкционные, определяющими характеристиками которых являются механические свойства, и материалы не конструкционного назначения, определяющими параметрами которых являются специфические физико-химические свойства.
Материалы для планера самолета
В самолете применяются сотни марок материалов различных функциональных назначений.
Ведущие мировые авиастроительные фирмы в разные периоды времени показывают неодинаковые соотношения между материалами, которые используются для изготовления дозвуковых самолетов, однако эти соотношения принципиально не отличаются (рис. 1) [3]
Рис.1 Соотношение между материалами.
Правильный выбор материала элементов конструкции может существенно улучшить весовые и лётно-технические характеристики самолёта, а также снизить материальные затраты на его производство и эксплуатацию. По своей природе подразделяются на металлические, неметаллические и композиционные; по условиям эксплуатации на жаропрочные, для работы при низких температурах, тепло-, износо-, коррозионно-, топливо-, масло-, огнестойкие и т. д.
Как видно из рис. 1, основными конструкционными материалами (65…75 %) на протяжении многих лет являются алюминиевые сплавы. Кроме алюминия заметное место в самолетах занимают конструкционные (средне-прочные и высокопрочные) и коррозионностойкие стали (8…10 %), титановые сплавы (1,5…3,0 %). В последние годы в авиационных конструкциях доля магниевых сплавов уменьшилась в связи с их низкой коррозионной стойкостью и увеличением календарного ресурса самолета, а объем использования титановых сплавов возрос по этой же причине.
Рис.2. Структура потребления материалов в авиастроении: ВТСП - материалы высокотемпературной сверхпроводимости; УЧЭ - материалы для упругих чувствительных элементов.
Алюминиевые сплавы:
Основным конструкционным материалом для планера остаются алюминиевые сплавы. Задача повышения надежности, улучшения характеристик трещиностойкости, повышения усталостных свойств сплавов для фюзеляжа, крыла и силового набора решалась путем значительного повышения чистоты сплавов (уменьшение содержания примесей железа и кремния, количества избыточных фаз), разработки новых режимов термообработки, улучшения качества полуфабрикатов.
Перспективный путь повышения весовой эффективности – уменьшение плотности, который реализуется путем создания рецептур алюминиевых сплавов, легированных литием, а так же совершенствование слоистых металлокомпозитов.
Высокопрочные титановые сплавы:
В области конструкционных, в том числе литейных, титановых сплавов, задача повышения ресурса и надежности будет решаться созданием нового поколения комплексно-легированных сплавов с повышенными характеристиками предела выносливости (на 30%) и трещиностойкости (на 200%) при снижении стоимости сплава (на 20-30%) за счет полного перехода на отечественное сырье и недефицитные легирующие компоненты (содержание молибдена и ванадия).
Перспективные сплавы типа ВТ23, ВТ22 за счет комплексного легирования (α+β)-твердых растворов могут упрочняться на различные уровни прочности – от 1100 до 1400 МПа.
Сочетание широкого ассортимента полуфабрикатов и высокой технологичности позволяет изготовлять практически все силовые элементы конструкций ЛА из сплавов ВТ22 и ВТ23 с обеспечением снижения массы конструкций (на 20-30%), стоимости и трудоемкости изготовления.
Конструкционные стали:
Сталь представляет собой сплав железа и углерода. Она довольно широко используется при изготовлении самолетов. В авиации в основном применяется конструкционная сталь с содержанием от 0,05 до 0,55% углерода. Из стали изготавливают отдельные элементы силового набора конструкции, детали шасси, болты, заклепки. Жаропрочная сталь идет на изготовление обшивок самолетов, развивающих большие скорости.
Стали стабильно применяются в современном самолетостроении, и объем их применения находится на уровне 5-10%. В некоторых самолетах, например, сверхзвуковых истребителях, стали являются профилирующим материалом. Основное назначение сталей – использование их в конструкциях, от которых требуются высокие жесткость, удельная прочность, усталостная долговечность, теплопрочность, коррозийная стойкость и ряд других параметров. Кроме того, применение сталей особенно целесообразно из-за их хорошей технологичности.
Полимерные композиционные материалы (ПКМ):
Благодаря существенным преимуществам по удельной прочности и жесткости, исключительному сочетанию конструкционных, теплофизических, специальных свойств ПКМ все в большем объеме применяются в конструкции ЛА.
Опыт эксплуатации полимерных композитных материалов в ответственных конструкциях авиакосмической техники показал, что их применение взамен металлических сплавов обеспечило снижение массы конструкций до 30-50%, повышение ресурса эксплуатации – в 2-5 раз, снижение трудоемкости изготовления – на 20-40% и материалоемкости – до 50%.
За последние двадцать лет полимерные композиционные материалы – угле-, органопластики и гибриды на их основе – прочно заняли одно из основных мест среди конструкционных и специальных материалов в самолето- и вертолетостроении и космической технике.
Рисунок 3 . Расширение объемов применения полимерных композитов в конструкциях авиакосмической техники.
Применение ПКМ на основе углеволокна – одно из эффективных средств снижения массы конструкции. Совершенствование прочностных, деформационных, теплофизических характеристик углепластиков и повышение их теплостойкости даст возможность использовать их не только в слабо- и средненагруженных конструкциях (механизация крыла, рули направления и высоты, створки шасси и др), но и в высоконагруженных деталях типа крыльев, оперения и др.
Известно, что при выборе материала для той или иной конструкции самолета в первую очередь обращают внимание на обеспечение ее прочности и жесткости при минимальной массе, то есть на обеспечение максимальной весовой эффективности материала [1]. Весовую эффективность материала оценивают по удельной прочности, удельной жесткости и удельной трещиностойкости. Обобщенные сравнительные характеристики материалов аэрокосмического назначения (при температуре 20 ºС) показаны в табл. 1. Из данных табл. 1 видно, что по основным удельным показателям композиционные материалы существенно превосходят традиционные сплавы [3]. Принимая во внимание, что современные самолеты (в том числе и сверхзвуковые), а также двигатели и ракеты работают в условиях повышенных температур, часто необходимо учитывать свойства материалов при этих температурах (рис.4).
Критерием, связывающим прочность и массу и позволяющим, следовательно, сравнивать различные материалы, является удельная прочность. Масса детали, имеющей площадь поперечного сечения , длину и выполненной из материала с плотностью , будет Площадь определяется действующей нагрузкой и допускаемым напряжением при рассматриваемом виде деформации. Так, при растяжении силой потребная площадь сечения детали , где предел прочности материала при растяжении. Подставив в выражение для получим Отношение носит название удельной прочности при растяжении.
Таблица 1. Обобщенные сравнительные характеристики материалов аэрокосмического назначения.
В температурном интервале 300-500 ºС максимальную удельную прочность имеет титановый сплав. В соответствии с этим показателем титановые сплавы являются более эффективными, чем другие конструкционные материалы, применяемые в самолетостроении.
Крыло воспринимает все нагрузки как от массы самолета, так и аэродинамические. При этом его верхняя поверхность находится в сжатом состоянии, а нижняя – в растянутом. Поэтому верхнюю часть крыла изготавливают из высокопрочного алюминиевого сплава, имеющего повышенную удельную прочность, а нижнюю – из сплава, имеющего более высокие характеристики усталостной прочности [2].
Передние кромки крыла и оперения, обогреваемые для предупреждения обледенения, изготавливают из жаропрочного алюминиевого сплава. Рули управления самолетом (на крыле и оперении), исходя из условий максимальной жесткости (минимальные упругие деформации при отклонении), изготавливают из высокомодульных углеродных композитов.
Оперение, зализы крыла и обтекатели ниши шасси может быть сборным из алюминиевых сплавов, при этом подход к выбору материала такой же, как и для крыла. В новых самолетах оперение представляет собой цельную интегральную конструкцию из полимерных композиционных материалов (углеродных композитов), что обеспечивает значительный весовой эффект [3] .
Как было сказано выше, основными критериями выбора конструкционных материалов, в том числе алюминиевых сплавов, являются их удельные значения прочности, жесткости и усталости. Тем не менее, коррозия, которая, как правило, проявляется в конструкциях после 10-20 лет эксплуатации, также выдвигает свои требования к конструированию самолета. В связи с тем, что коррозионное повреждение отодвинуто во времени от момента проектирования, а аспекты прочности, эксплуатации (простота обслуживания) и стоимость входят в противоречие с антикоррозионными требованиями, то при выборе материалов на этапе проектирования необходим осознанный компромисс. Сказанное можно подтвердить классическим примером соотношения антикоррозионных свойств и характеристик прочности алюминиевых сплавов, которые подвергают закалке и старению (рис. 4) [4].
Рис. 4 Соотношение критического коэффициента интенсивности напряжений при коррозионном растрескивании K 1SCC и предела прочности в в зависимости от температуры старения алюминиевых сплавов.
Как следует из рис. 5, максимальная прочность сплава соответствует минимальной коррозионной стойкости, и для обеспечения работоспособности сплава необходимо его недостарение или перестарение, что, как правило, и делают для конкретных сплавов. При выборе материала конструкции с точки зрения антикоррозионных свойств необходимо также учитывать электрохимический потенциал контактирующих материалов, вид и возможность нанесения защитных покрытий, условия эксплуатации и так далее [3].
Шасси воспринимают значительные динамические нагрузки при взлете и, особенно, посадке самолета. Алюминиевые сплавы при необходимых минимальных размерах узла по своим механическим характеристикам работать не могут. Поэтому узлы шасси изготавливают из высокопрочных титановых сплавов или высокопрочных конструкционных сталей. Причем титановым сплавам в новых конструкциях отдается предпочтение также и по коррозионной стойкости [2].
Таким образом, выбор материалов для деталей и узлов самолета продиктован их конструктивной особенностью, условиями работы, внешними факторами, в том числе коррозионными и тепловыми, и является творческим процессом, который в одинаковой степени требует знаний как свойств материалов, так и конструкции самолета.
Перспективы
На основании проведённого обзора применения конструкционных материалов в разные годы до настоящего времени, анализа номенклатуры технологий и реализуемых ими эксплуатационных свойств металлических конструкционных материалов и полимерных композиционных материалов, сделан вывод, что несмотря на относительно небольшой долевой объем деталей из этих материалов, в общем балансе применяемых в планере самолета, стабильное внедрение ПКМ обеспечивает создание изделий с уникальными свойствами, которые невозможно получить другими методами производства, при минимальных отходах и низких трудозатратах.
В ближайшей перспективе имеет место снижение доли объема алюминиевых и стальных сплавов, стабильный объем титановых сплавов и увеличение доли объема полимерных композиционных материалов.
В среднесрочной перспективе произойдет уменьшение доли титановых сплавов в конструкционных материалах в связи с созданием теплостойких металлополимерных слоистых композитов на основе послойного сочетания тонких листов титановых сплавов с углепластиками.
Таблица 2. Преимущества и недостатки авиационных конструкционных материалов.
Экономический анализ основных авиационных материалов
Одним из основных факторов в проектировании ЛА является экономическая целесообразность. Для самолета непосредственной поддержки сухопутных войск необходимо обеспечить дешевизну производства в совокупности с высокой технологичностью и высокую ремонтопригодность, чтобы увеличить объемы и темпы производства.
Рис. 7 Изменение стоимости агрегатов планера в зависимости от используемых материалов в конструкции
Исходя из выше представленных графиков, можно сделать вывод, что для получения оптимальной экономической целесообразности, в конструкции самолета применяются различные материалы.
Выводы:
Применение КМ в конструкции позволяет значительно снизить её массу. В настоящее время широко используют волокна стекла, углерода, бора и некоторых других материалов в соединении с называемой матрицей, в качестве которой используются искусственные смолы, алюминий, магний, титан или их сплавы. Стеклопластики целесообразно использовать для деталей конструкционного назначения, работающих преимущественно на растяжение при температурах, не превышающих 100…150°С. Из них можно изготовлять лонжероны, нервюры и обшивку триммеров, сервокомпенсаторов, небольших по размеру элеронов и рулей и т.п. Углепластики обладают высоким модулем упругости, превышающим модуль упругости алюминиевых сплавов примерно в два раза. Из них изготовляют обшивку, панели, подкрепляющие элементы силового набора планера самолёта. Такие конструкции работают надёжно в диапазоне температур до 200°С, а некоторые углепластики сохраняют высокие прочностные характеристики и до 300°С.
В конструкции самолета непосредственной поддержки сухопутных войск использование жаропрочных сталей нецелесообразно. Основными конструкционными материалами планера будут являться алюминиевые и титановые сплавы, т.к. они в полной мере позволяют добиться высокой степени прочности, износостойкости и относительной дешевизны производства, обслуживания и ремонта самолета. Применение композиционных материалов позволяет существенно снизить массу конструкции, однако требования к боевой живучести не позволяют широко применять КМ в конструкции планера.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Номер журнала Вестник науки №6 (63) том 1
Ссылка для цитирования:
Цехин Д.А. ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПЛАНЕРА // Вестник науки №6 (63) том 1. С. 1156 - 1167. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/8727 (дата обращения: 19.05.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023. 16+