Черное крыло для мс 21. Универсальный мобильный комплекс для диагностики и проведения полевого ремонта композиционных материалов. «Боинг» поставил рекорд по поставкам самолетов

Реализуемый корпорацией «Иркут» (входит в Объединенную авиастроительную корпорацию) проект создания российского среднемагистрального самолета МС-21 преодолел ключевой этап - статические испытания крыла. При приближении к 100% расчетной предельной нагрузки произошло разрушение крыла. В настоящее время завершается небольшая доработка конструкции крыла, которая не повлияет на график подготовки самолета к летным испытаниям, намеченным на эту весну.

Как сообщили «Известиям» в «Иркуте», в рамках реализации программы МС-21 был проведен завершающий этап изолированных испытаний кессона крыла из полимерных композиционных материалов. Испытания прошли в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) в подмосковном Жуковском.

Продемонстрированный в ходе испытаний запас прочности крыла позволяет приступить к летным испытаниям самолета, - заявил «Известиям» официальный представитель «Иркута».

По его словам, до начала испытаний на прочность на самые нагруженные зоны конструкции были еще специально нанесены максимально возможные и визуально не обнаруживаемые повреждения. В соответствии с утвержденной программой испытаний кессон крыла был доведен до разрушения.

Подвергнутое статической нагрузке крыло МС-21 обладало наиболее возможной весовой эффективностью, то есть было максимально облегченным. По результатам проведенных испытаний было принято решение провести незначительную доработку крыла, рассказали в «Иркуте».

Общее утяжеление конструкции крыла составит примерно 25 кг. На сегодня такая работа для первого полета уже близка к завершению, - добавил представитель «Иркута».

Статические испытания определяют способность конструкции самолета выдерживать высокие однократные нагрузки. Это - неотъемлемая и важная часть комплексного плана испытаний, осуществляемых в обеспечение первого вылета МС-21 и его последующей сертификации. В ЦАГИ не смогли оперативно прокомментировать «Известиям» информацию о результатах испытаний МС-21, сославшись на режимный характер предприятия.

В «Иркуте» также отказались раскрывать подробности испытаний. По словам источника «Известий», знакомого с программой данных испытаний, кессон крыла получил повреждения при нагрузке выше 90% - «близкой к 100%» от расчетной предельной нагрузки, которая была установлена на уровне, в полтора раза превышающем максимальную эксплуатационную нагрузку.

«В ходе испытаний на разрушение был получен результат, которым в «Иркуте» остались удовлетворены. Сейчас еще продолжается полный анализ этих испытаний, - рассказал источник «Известий».

По словам других источников «Известий», разрушения крыла проявились в виде трещин. Если бы крыло не прошло успешно тест на прочность, то это грозило бы проекту как минимум значительными задержками сроков его реализации. Как максимум пришлось бы пересчитывать, перепроектировать крыло, менять все массовые и центровочные характеристики самолета, что дальше потянуло бы за собой другие изменения.

По словам представителя «Иркута», в настоящее время идет тестирование систем лайнера и его подготовка к первому полету. Однако говорить о каких-то даже примерных сроках первого полета в авиастроительной корпорации пока считают преждевременным.

По словам источника «Известий», близкого к ОАК, после завершения тестирования всех систем самолета будет выполнена выкатка МС-21 из цеха, проведена заливка керосина, осуществлен прогон двигателей и, наконец, выполнены операции руления. Только после этих операций станет понятна дата первого испытательного полета. Пока все работы идут по плану с первым полетом до конца весны.

Самолет МС-21 сертифицируется по российским и международным стандартам. Сертификация самолета проходит в соответствии с комплексом требований к летной годности и охране окружающей среды.

МС-21 - пассажирский самолет российского производства, который будет производиться в трех версиях: МС-21-200 (150 посадочных мест), МС-21-300 (180 мест) и МС-21-400 (212 мест). Входящий в состав ОАК «Иркут» начал разрабатывать МС-21 в начале 2000-х годов. Интерес к самолету проявляют как российские, так и зарубежные авиакомпании. Первые поставки самолетов запланированы на конец 2018 года.

Заголовок, который заявляет о том, что Россия создала карбоновые крылья, превосходящие крылья Boeing 787, может вызвать противоречивые чувства у тех людей, которые разбираются в ситуации, однако это действительно так. Boeing 787 — новейший авиалайнер компании Boeing. Его главная особенность состоит в том, что фюзеляж, который раньше был из алюминиевого сплава, теперь изготавливается из карбона. Поскольку этот карбон разработала японская компания Toray, японская пресса активно обсуждала эту тему.

Благодаря применению карбона, который легче алюминия и практически не подвержен коррозии, удается снизить расход топлива и повысить комфортабельность салона. Все это не оставляет сомнений в том, что Boeing 787 — самый передовой авиалайнер в мире.

При этом российские самолеты, как правило, вызывают страх. Вряд ли можно говорить о том, что они действительно опасны, однако авиалайнеры, разработанные в советское время, отстают с технологической точки зрения. Кроме того, они отличаются большим расходом топлива и многочисленным экипажем для управления самолетом, поэтому они не столь привлекательны в сравнении с продукцией Boeing или Airbus.

После развала СССР Россия долгое время не вела новых разработок. Естественно, старые технологии откинули российскую авиапромышленность назад.

Несмотря на это, России удалось разработать технологию, превосходящую Boeing 787. В особенности сложно поверить в то, что эта технология касается карбона — изюминки Boeing 787.

Когда технологи и специалисты Boeing и Airbus посетили авиационный завод «АэроКомпозит-Ульяновск» и своими глазами увидели производственную линию, они были крайне удивлены: «Мы не верили, что завод способен на такое, пока не увидели все сами».

Когда директор завода рассказал мне о своих технологиях, я тоже не удержался и сказал, что не верил в это.

Ситуация с разработкой авиалайнеров в России

Я хотел бы сказать несколько слов о разработке авиалайнеров в России. Производство пассажирских авиалайнеров начало быстро развиваться после Второй мировой войны. В СССР технологии развивались быстрыми темпами, поэтому реактивные авиалайнеры появились там на два года раньше, чем в США (в СССР в 1956 году, а в США — в 1958).

До 60-х годов СССР немного опережал США. Если сравнивать с Великобританией и Францией, то советская авиапромышленность намного превосходила эти страны.

Тем не менее, после того, как в конце 60-х появился Jumbo Jet, СССР начал отставать с точки зрения размеров, электроники и экономичности. При этом считается, что Россия отстает в сфере карбоновых технологий.

В конце советского периода СССР попытался наверстать упущенное. Он разработал такие самолеты, как Ту-204 и Ил-96, в которых применялись новые технологии (президент России летает на самолете того поколения).

Между тем, Союз развалился еще до окончания разработки. Само существование авиационной промышленности оказалось под вопросом, поэтому отставание от Запада только увеличилось. Можно сказать, что Россия проиграла холодную войну и в сфере разработки авиалайнеров.

Российская экономика быстро восстановилась после 2000 года: пришедший к власти Владимир Путин навел порядок, росли цены на нефть. Авиационная промышленность, выжившая за счет экспорта военных самолетов в развивающиеся страны в 90-е годы, начала заниматься гражданскими разработками.

Началось массовое производство авиалайнера Сухой Суперджет-100 (SSJ100). По информации компании, в 2014 году было произведено 37 самолетов.

В SSJ100 широко использовались западные технологии, в результате чего получился современный самолет, резко контрастирующий с советскими авиалайнерами.

Несмотря на это, он не идет ни в какое сравнение с Boeing 787, который создавался в тот же период. Возможно, SSJ100 не отставал от уже летающих самолетов, однако его, вряд ли, можно сравнивать с авиалайнерами, которые находились на стадии разработки.

Контекст

Сухой Superjet 100 прибудет в Мексику в сентябре

Excelsior 29.08.2011

Пять самых опасных военных самолетов России

The National Interest 06.07.2015

«Сухой» передает долгожданный Sukhoi Superjet

Reuters 19.04.2011

Безопасность «Боинга 787» в приоритете

Nihon Keizai 17.01.2013

«Боинг» поставил рекорд по поставкам самолетов

Русская служба «Голоса Америки» 07.01.2014

Мультимедиа

Авиасалон в Ле-Бурже

ИноСМИ 17.06.2015
В настоящее время Россия разрабатывает второе поколение авиалайнеров: МС-21. По размеру он практически ни чем не отличается от Boeing 737 или Airbus А320, которые являются наиболее продаваемыми самолетами.

SSJ100 изготавливается из алюминиевого сплава, поэтому можно сказать, что это «обычный самолет». В свою очередь, у МС-21 карбоновые крылья и хвост. Мне кажется, этот самолет сможет конкурировать с новейшими образцами. Карбоновые крылья были изготовлены в конце прошлого месяца.

Если заменить алюминий на карбон, вес снижается примерно на 20%, однако не так-то просто изготовить надежную деталь. Кроме того, стоимость была слишком высокой. Сначала карбон стали применять при производстве военных самолетов, затем он появился в гражданской авиации, однако его применяли в частях, которые не представляют большой важности.

Например, если в карбон попадает даже небольшая пылинка, то он становится некачественным, поэтому при производстве самолетов крайне сложно обеспечить абсолютную надежность. В связи с этим сделать крылья из карбона технологически очень непросто.

Российские крылья, превосходящие 787

Что же представляют собой российские карбоновые крылья, которые смогли произвести впечатление на Boeing и Airbus? Главное преимущество МС-21 состоит в применении передовой, но при этом недорогой производственной технологии.

В авиационной промышленности применение карбона развивается по двум направлениям. Первое состоит в том, какие детали изготавливать из карбона. Некоторые детали не могут привести к серьезным неприятностям, несмотря на поломку.

Поворотные лопатки (рули направления и закрылки) и обтекатели в определенном смысле не столь важны. Такие детали называют структурными элементами второго уровня. При этом очевидно, что если сломаются крылья или фюзеляж, трагедии не избежать. Такие части называют структурными элементами первого уровня.

Сначала карбон начали применять для изготовления элементов второго уровня. Затем — для таких элементов первого уровня, как хвост, крылья и фюзеляж.

Например, поворотные лопатки и обтекатели Boeing 767, который появился в 80-х годах, изготовлены из карбона. В свою очередь, у Boeing 777, эксплуатация которого началась в 90-е годы, карбоновый хвост.

Фюзеляж и крылья Boeing 787, совершившего первый рейс в 2011 году, полностью изготовлены из карбона. Что касается МС-21, то у него алюминиевый фюзеляж, но карбоновые элементы первого уровня, то есть хвост и крылья. Значит, такой важнейший элемент МС-21, как крылья, изготовлен из карбона.

Еще одно направление заключается в снижении себестоимости. Неспециалисты незнакомы с производственной технологией карбоновых самолетов. Для большинства людей термины, связанные с производственным процессом карбоновых крыльев, будут звучать как иностранный язык.

Я использую слово «карбон», которое означает пластик, армированный углеродным волокном. Углеродное волокно укрепляется при помощи пластика, который напоминает эпоксидную смолу.

Предел прочности углеродистой стали составляет 400МПа, в то время как углеродного волокна — 3000 — 6000 МПа, однако само по себе волокно тонкое, поэтому оно не может стать прочным промышленным материалом.

Благодаря укреплению пластиком оно становится таким крепким, что его можно использовать для самолетостроения.

Производственный процесс пластика, армированного углеродным волокном, можно разделить на процесс изготовления углеродного волокна и процесс его укрепления пластиком. Углеродное волокно производят такие компании, как Toray.

Авиапроизводители уже сами укрепляют пластиком углеродное волокно.

Авиапроизводители стремятся снизить себестоимость этого процесса. В этом смысле технология производства МС-21 — самая передовая в мире.

Говоря простым языком, компании «АэроКомпозит-Ульяновск» удалось удешевить производственные процессы, связанные с автоклавом и пропиткой синтетической смолой для упрочнения.

Изначально авиапроизводители приобретали углеродное волокно, пропитанное пластиком (называется препрег), и изготавливали авиационные детали из нескольких слоев углеродного волокна. Затем детали укреплялись в автоклаве.

При этом пластик, применяемый в авиапромышленности, отличается от обычного пластика. Этот пластик представляет собой термореактивную смолу, которая укрепляется при помощи температуры.

Как и крылья, которые производит компания Mitsubishi Heavy Industries, важные детали Boeing 787 изготавливаются при помощи препрега и автоклава. Производители материала покрывают тонкий слой углеродного волокна жидким пластиком и укрепляют это волокно под давлением, благодаря чему они получили сравнительно простой и надежный производственный метод.

Тем не менее, препрег стоит очень дорого. При этом его срок хранения ограничен. Кроме того, если материал не используется, его необходимо замораживать. Если ошибиться с температурным режимом и сроком хранения, дорогостоящий материал приходится выбрасывать. Что касается автоклава, то оборудование и его эксплуатация также являются дорогостоящими.

Если отказаться от препрега и автоклава, можно существенно снизить себестоимость. В других отраслях, где надежность не настолько важна, уже распространилась технология, в которой не применяются препрег и автоклав.

Эта технология заключается в следующем: на углеродное волокно наносится жидкий слой пластика, затем волокно укрепляется в печи, у которой есть только функция нагрева. Этот метод называется трансферное формование пластмасс с помощью вакуума (VaRTM).

Авиапроизводители также проводили исследования в области применения метода VaRTM. В результате элементы второго уровня Boeing 787 изготовлены по этой технологии. Хвост японского MRJ также изготовлен методом VaRTM.

Тем не менее, из-за большого размера крыльев при их производстве метод VaRTM не применялся. Российской компании первой в мире удалось изготовить надежные крылья методом VaRTM.

Этот метод сложно применять в авиационном мире, поскольку в сравнении с препрегом и автоклавом крайне сложно добиться высокой надежности.

Карбон состоит из нескольких слоев углеродного волокна, укрепленных пластиком, однако, если используется недостаточное количество пластика, слои углеродного волокна могут отклеиться. И наоборот, если пластика слишком много, снижается плотность углеродного волокна, в результате чего деталь перестает быть крепкой. То есть пластика должно быть строго определенное количество.

При использовании препрега нанести пластик ровным слоем на тонкий лист волокна не очень сложно, однако при использовании метода VaRTM пластик наносится после того, как из углеродного волокна формируется деталь самолета, поэтому необходимо наносить его ровным слоем на деталь сложной формы. Крылья самолета не только сложные, но и большие, поэтому задача усложняется.

Иногда при нанесении жидкого пластика вымываются углеродные волокна, в результате чего теряется форма детали. Кром того, при использовании метода VaRTM сложно обеспечить необходимую текучесть, а также функциональность детали самолета после ее затвердевания.

В других отраслях это не настолько критично, поэтому иногда пластик распределяется не равномерным слоем или же не обладает необходимыми прочностью или формой.

В случае самолетных деталей первого уровня это недопустимо. Boeing и Airbus отказались от использования метода VaRTM при изготовлении крыльев.

Строго говоря, этот метод использовался при производстве Bombardier CSeries, однако «АэроКомпозит-Ульяновск» стала первой в мире компанией, которая полностью исключила из производственного процесса препрег и автоклав.

Крылья МС-21 являются передовыми именно благодаря производственному процессу. Поэтому с точки зрения функциональности их нельзя назвать инновационными. Тем не менее, тот факт, что российской компании удалось снизить себестоимость карбона, который не получает широкого распространения в силу высокой цены, имеет огромное значение.

Каким образом Россия получила новейшую технологию?

На самом деле, в СССР также шли исследования в области производства карбоновых деталей для самолетов. В настоящее время украинская компания «Антонов» применяет карбоновые детали. В транспортном самолете АН-124, который хорошо известен в Японии, используются различные карбоновые элементы второго уровня.

Более того, карбоновые элементы первого уровня есть в транспортном самолете АН-70, который был разработан в конце советского периода и совершил первый полет в 1994 году. Карбоновые детали второго уровня планировалось установить и на Ту-204, который был разработан в конце советского периода.

(АН-70 до сих пор не введен в эксплуатацию по политическим и экономическим причинам. Если рассмотреть применение карбоновых материалов, то АН-70 отставал от Airbus, но не от Boeing. При этом АН-70 — скорее военный самолет. Углеродное волокно, применявшееся в нем, было не таким крепким, как западные образцы).

Таким образом, в СССР применялись карбоновые элементы, однако Союз распался до того, как карбон получил широкое применение, поэтому производство авиалайнеров с карбоновыми деталями не развивалось. Что касается «Антонова», то, несмотря на частичное применение карбоновых технологий, в целом компания отставала от мировых авиапроизводителей.

Также российский технологический уровень, связанный с углеродным волокном, был ниже западного. Предел прочности материала T800S компании Toray, который используется для производства деталей первого уровня для Boeing 787, составляет 5880МПа, в то время как российского — 3500МПа.

Это значение находится примерно на одном уровне с материалом Т300 компании Toray, который был разработан 40 лет назад. После развала СССР России было не до разработки технологий, поэтому считалось, что она отстает от Запада в сфере карбоновых технологий.

Каким же образом России удалось сделать карбоновые крылья, превосходящие Boeing 787? Во-первых, углеродное волокно импортируется. Не так-то просто выйти на мировой уровень производства углеродного волокна. В России углеродное волокно укрепляется пластиком.

Для производства углеродного волокна требуется дорогостоящее оборудование и огромный технологический опыт, поэтому сложно произвести передовое углеродное волокно. В основном этот материал производят три японские компании: Toray, TOHO TENAX и Mitsubishi Rayon, которые практически монополизировали этот рынок.

При этом укрепить углеродное волокно можно в домашних условиях. Компаний, которые занимаются этим, бесчисленное количество (используется не только углеродное волокно, но и стеклопластик).

Требования авиапроизводителей по качеству намного жестче, однако в этой сфере монополизации нет.

В последнее время стали применять автоматизированное оборудование, однако ноу-хау, касающееся такого оборудования, находится в руках производителей оборудования и системных интеграторов, которые продают свои решения любым авиапроизводителям.

Другими словами, если есть технологии для применения оборудования, капитал на это оборудование и решимость применить новейшие технологии, можно получить в свои руки технологию производства карбоновых деталей для самолетов, даже если нет технологического капитала, касающегося производства углеродного волокна.

На заводе «АэроКомпозит-Ульяновск» используют технологию австрийской компании FACC, благодаря чему удалось овладеть технологией изготовления карбонового крыла. Также на заводе есть роботы немецкой компании Kuka и автоматические погрузчики испанской MTorres. Большая часть оборудования — западного производства.

Как я отметил выше, исследования в области применения метода VaRTM в авиастроении велись в разных странах. Что касается проблемы неравномерного распределения жидкого пластика, то появились методы контроля потока, например, за счет создания канала потока.

Что касается проблемы потери формы, когда жидкий пластик вымывает углеродное волокно, то ее преодолевали за счет временной фиксации углеродного волокна при помощи термопластика.

Некоторые компании вели разработки пластика, который обладает низкой вязкостью, необходимой для метода VaRTM, и правильными физическими параметрами при затвердевании. Компания FACC получила ноу-хау изготовления авиационных деталей методом VaRTM.

Например, «АэроКомпозит-Ульяновск» наслаивала углеродное волокно, временно фиксируя его термопластиком. При этом в ходе этого процесса термопластик разогревался лазером, временно фиксируя слои углеродного волокна. Благодаря этому деталь не теряет свою форму во время укрепления термореактивного углеродного волокна смолистым веществом.

При этом термопластик обладает свойством укрепления термореактивного пластика. На месте можно посмотреть результаты испытаний применения метода VaRTM для изготовления авиационных деталей.

Компания FACC собрала воедино все эти технологии и подготовила полное решение, включая ноу-хау и оборудование, для изготовления авиационных элементов первого уровня методом VaRTM. В основном FACC производит для авиации карбоновые детали, однако она также торгует комплексными технологиями.

«АэроКомпозит-Ульяновск» приобрела технологический пакет, благодаря чему смогла пользоваться результатами многолетних исследований. В результате технологическое отставание, включая советский период, было сведено на нет за короткое время. Благодаря этому компания преуспела в производстве крыльев для МС-21 без использования препрега и автоклава.

«АэроКомпозит-Ульяновск» получила в свои руки только технологию укрепления углеродного волокна при помощи пластика. Дело в том, что не так-то просто приобрести технологию производства углеродного волокна для авиационных элементов первого уровня, прочность которых должна составлять 6000МПа. Подобный материал не производится в России.

Тем не менее следует уважать решение России производить крылья по новейшей технологии, которая не применялась в других странах, к тому же страна действительно преуспела в этом.

Завод «АэроКомпозит-Ульяновск» произвел огромное впечатление на зарубежных авиационных специалистов. Эта компания, производящая передовые карбоновые крылья с применением новейшего автоматизированного оборудования, способна улучшить сложившийся имидж России.

Значение карбоновых крыльев МС-21

Поражает способность компании овладеть передовой технологией за короткий период. Карбоновые крылья МС-21 продемонстрировали то, что российские технологии, казавшиеся безнадежно устаревшими, находятся в полном порядке. Производство карбоновых крыльев для авиалайнера способом, превосходящим технологии Boeing, — это действительно выдающееся достижение.

Тем не менее говорить о том, что Россия вышла на первое место по карбоновым технологиям, еще рано. Россия не разрабатывала эту технологию с нуля. Она применила иностранную технологию производства авиационных деталей методом укрепления углеродного волокна пластиком.

При этом само углеродное волокно импортируется (в ближайшее время Россия вряд ли сможет стать ведущим игроком в сфере производства углеродного волокна).

Это означает, что другие страны также могут применить подобную технологию для производства карбоновых крыльев. Япония производит хвост MRJ на основе собственных технологических разработок. При этом Япония — родина углеродного волокна.

Если японская компания решит изготавливать карбоновые крылья для MRJ следующего поколения таким же методом, я думаю, она преуспеет в этом (хотя это будет непросто). Безусловно, между «возможностью» и «реальностью» существует огромная разница.
Россия обладает большим экспериментальным опытом, однако в сравнении с опытом, которым обладают японские производители углеродного волокна, он небольшой.

За короткий период России удалось овладеть методом применения углеродного волокна для изготовления авиационных деталей. При этом она импортирует углеродное волокно, несмотря на то, что в советский период страна производила этот материал. О чем это говорит?

Существует два пути: накопление технологий в течение длительного периода и овладение технологиями. В 90-х годах японская промышленность, до этого лидировавшая в различных областях, начала терять свою конкурентоспособность: ее обошли такие быстроразвивающиеся страны, как Южная Корея. Западные компании также вернули свои позиции. Типичный пример — производство полупроводников.

Что касается полупроводников, то, как и в случае с методом укрепления углеродного волокна пластиком, технологией их производства можно овладеть сравнительно за короткий период за счет применения соответствующего оборудования.

При этом есть сферы, в которых Япония до сих пор находится на первых ролях. Углеродное волокно — одна из таких сфер. Япония лидирует в сфере производства высоколегированной стали и другого сырья. Подобную продукцию невозможно производить только за счет внедрения оборудования. Необходим опыт.

Россия овладела технологией укрепления углеродного волокна, однако сам материал ей приходится импортировать. Можно сказать, что так проявилась разница в двух технологиях.

При осуществлении стратегического планирования в промышленной сфере важную роль играют оба вида технологий. В России, чья промышленность находится в застое, может помочь быстро вернуть свои позиции и стать эффективной стратегия, при которой компании сосредоточатся на сферах, обеспечивающих быстрое развитие за счет применения новейших технологий. Крылья МС-21 стали примером подобного успеха.

Если же государству, например, Японии, необходимо сохранить свои позиции в качестве высокоразвитой промышленной страны, ему нельзя просто приобретать комплексные решения. Важно сохранить свое лидерство за счет бережного отношения к накопленному опыту.

Россия преуспела в разработке карбоновых крыльев для МС-21. По всей видимости, это не единственное явление в российской промышленности, которое свидетельствует о развитии индустрии и технологий.

Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.

Нового пассажирского самолета МС-21. После завершения испытания и начала серийного производства он станет первым российским среднемагистральным пассажирским самолетом и первым в мире узкофюзеляжным лайнером, имеющим крыло из композиционных материалов. Корреспондент N+1 побывал в Опытной лаборатории технологий и конструкций из полимерных композиционных материалов компании «АэроКомпозит», где разрабатывались и проверялись технологии «черного» крыла для МС-21, выпускались демонстрационные образцы и проводились различные испытания.

Создание МС-21 ведется с первой половины 2000-х годов. Разработчики полагают, что на мировом рынке лайнер сможет конкурировать с американскими узкофюзеляжными Boeing 737 MAX и европейскими Airbus A320neo. В зависимости от конфигурации российский самолет сможет перевозить от 150 до 210 пассажиров. Дальность его полета составит более пяти тысяч километров, а скорость полета - около 870 километров в час. Одна из комплектаций МС-21 получит новые турбовентиляторные двигатели , первые за последние почти 30 лет новые российские силовые установки. В своем классе лайнер получил самый широкий фюзеляж. Его ширина составляет 4,06 метра.

Крыло, верхние и нижние панели которого полностью изготовлены из сухой углеродной ленты и полимерного связующего, является, пожалуй, одним из самых интересных элементов конструкции МС-21. С использованием композитов в конструкции крыла разные авиаразработчики экспериментировали относительно давно. В 1990-х годах такие исследования вела, например, канадская Bombardier. Композитное крыло получил американский широкофюзеляжный пассажирский самолет Boeing 787 Dreamliner и европейский сверхширокофюзеляжный лайнер Airbus A350 XWB. В поиске ключа к дальним, комфортным, эффективным и экономичным полетам композиционные материалы играют важную роль.

Композитные детали по своей прочности соответствуют современным авиационным сплавам, а иногда даже и превосходят их. При этом использование углеродного наполнителя и полимерного связующего позволяет сделать такие детали легче металлических аналогов, а значит и уменьшить массу пустого самолета. Дальше работает относительно простая цепочка - более легкие, но прочные, элементы конструкции самолета позволяют устанавливать в него больше бортового оборудования или уменьшать потребление топлива в полете в зависимости от поставленной перед конструктором задачи. Грубо говоря, сэкономив полтонны благодаря композитам, можно добавить новые системы такой же массы.

Выкатка лайнера МС-21

Еще одним преимуществом углепластиковых композитных деталей является их устойчивость к распространению повреждений. Например, при ударе по такой детали, область повреждений будет ограничена. В ее пределах при эксплуатации может произойти разрушение, но оно не распространится дальше по детали. Благодаря этому же качеству композитные детали имеют больший ресурс, чем металлические. Дело в том, что по мере разрушения внутри детали снимается конструкционное напряжение. Когда оно становится равным нулю, разрушение останавливается. С учетом многослойности такая самоостановка разрушения - качество очень ценное.

В зависимости от того, где будут использоваться те или иные детали, применяются и разные технологии их производства из композиционных материалов: от банальный заливки смеси эпоксидки с углеволокном в заранее подготовленную форму до сложной кропотливой выкладки из препрегов , то есть заранее пропитанной связующим углеткани, с последующим «выпеканием» в огромных автоклавах при заданной температуре определенное время. Из препрегов, например, создают различные элементы фюзеляжа . Крыло МС-21 выполнено по методу вакуумной инфузии. Иначе ее иногда называют безавтоклавной, хотя применительно к ней этот термин не совсем корректен.

Упрощенно производство композитных элементов методом вакуумной инфузии выглядит так: из углеткани по выкройкам вырезаются детали, затем на специальной оснастке они выкладываются слоями, упаковываются в специальный пакет, из которого затем откачивается воздух и в который постепенно подается полимерное связующее. Затем деталь «выпекается» при определенной температуре, требуемой для качественного отверждения того или иного связующего материала. По такой технологии, например, изготовлен корпус тральщика нового поколения «Александр Обухов», головного корабля проекта 12700, сегодня .

Марина Лысцева / ОАК

Методом вакуумной инфузии изготавливаются композитные детали для крыла МС-21. Работы по проекту «черного» крыла для нового российского лайнера начались во второй половине 2000-х годов, когда была создана компания «АэроКомпозит». Эта компания совместно с несколькими иностранными фирмами занималась исследованиями на этапе выбора полимерных композиционных материалов для проекта МС-21, а также подбором технологии и изготовлением первых конструктивно подобных образцов.

В июле 2011 года компания создала Опытную лабораторию технологий и конструкций из полимерных композиционных материалов. Лаборатория отвечала за исследование полимерных композиционных материалов, отработку технологии изготовления опытных образцов элементов конструкции с использованием новых материалов, а также проверку заложенных конструктивных и технологических параметров. Специалисты лаборатории отвечали и за подготовку технологической документации для производства. В августе 2011 года лаборатория уже создала первый простой опытный композитный образец.

В целом лаборатория включает в себя несколько участков. В первом производится раскройка углеткани и различных слоевых заполнителей по лекалам. Они выводятся на раскроечный стол при помощи специальных лазерных проекторов. Для изготовления композитных элементов крыла МС-21 в лаборатории использовалась ткань, в которой углеволокно не переплеталось и небольшими полосками была скреплена в единое полотно при помощи полимерной нити. Благодаря тому, что волокно не переплетается, оно практически не имеет механических повреждений, сказывающихся на прочности детали.

Раскройка углеткани

Марина Лысцева / ОАК

Вакуумирование и «выпекание» деталей

Марина Лысцева / ОАК

На этом этапе раскраивают не только углеткань, но и различные вспомогательные слои, включая вакуумные пленки, в которые запечатываются сформованные детали и так называемые жертвенные слои. Эти слои помещаются между деталью и вакуумной пленкой и позволяют отделить последнюю от готового изделия уже после «выпекания». Все слои затем накладываются друг на друга на специальной оснастке - приспособлении, позволяющем задавать нужную форму детали. В готовом элементе количество слоев углеткани может варьироваться от нескольких единиц до четырех десятков в зависимости от требуемой прочности.

Выложенные слои, среди которых есть и сетки, помогающие равномерному распределению связующего, на оснастке запечатываются в специальный конверт с разных сторон к которому подведены трубки. По одним откачивается воздух, по другим подается связующее. Полимерную смолу для композитного крыла МС-21 разрабатывали специально. Это однокомпонентное связующее, отверждаемое во время «выпекания» в печи до 20 часов при температуре 170-180 градусов Цельсия. Само связующее хранят в специальных холодильниках при температуре минус 18 градусов Цельсия.

В целом метод вакуумной инфузии относительно прост. По словам главного технолога «АэроКомпозит-Ульяновск» Алексея Ульянова, он позволяет изготавливать детали быстро, относительно дешево и без жесткой привязки к срокам хранения материалов. В частности, препреги хранятся в среднем 30 суток с момента производства. И за это время необходимо успеть выложить все необходимые детали конструкции. С этой точки зрения вакуумная инфузия позволяет не торопиться - углеткань и связующее по отдельности хранятся очень долго. Ульянов с самого начала занимался разработкой метода вакуумной инфузии применительно к силовым длинномерным элементам конструкции консоли крыла самолета.

Марина Лысцева / ОАК

Производство же деталей из препрегов - довольно трудоемкий процесс. Пропитанную связующим ткань необходимо выкроить по лекалам и затем отпозиционировать все слои на оснастке. При выкладывании слоев необходимо «выгонять» мельчайшие пузырьки воздуха, образующиеся между ними, которые могут привести к возникновению каверн в деталях и снижению их прочности. Собранные из слоев препрегов элементы «выпекаются» в специальных автоклавах под большим давлением, которое может достигать шести атмосфер. При автоклавном методе каждая деталь «выпекается» отдельно. Затем они собираются вместе и проходят повторное «выпекание».

Именно так собираются панели для крыльев B787 и A350 XWB. Стрингеры выпускаются отдельно, а сами панели отдельно, а затем составляются в единую конструкцию. В этом случае граница раздела между полимерной поверхностью одной детали и поверхностью другой сохраняется, а значит весь элемент получается чуть менее прочным. Метод вакуумной инфузии позволяет изготавливать интегральные элементы: стрингеры и панели выкладываются из углеволокна отдельно, но на специальной оснастке заливаются связующим уже совместно. Так получается единая деталь, которую после механической обработки можно ставить на самолет.

Выкладывание панели крыла на оснастке

Марина Лысцева / ОАК

Панель крыла и стрингеры

Марина Лысцева / ОАК

В авиации активно развивалась именно автоклавная технология, просто потому что, долгое время не существовало подходящих по характеристикам связующих, пригодных для вакуумной инфузии. Они появились только во второй половине 1990-х годов. По этой причине выкладка деталей из препрегов уже хорошо освоена. Airbus и Boeing выпускают очень большое количество самолетов и располагают большим количеством заказов на новые самолеты. В таких условиях цена ошибки при внедрении новой технологии очень высока. Во многом по этой причине компании решили придерживаться проверенной технологии препрегов.

С этой точки зрения Объединенная авиастроительная корпорация, занимающаяся разработкой МС-21, оказалась в выгодном положении. Большого портфеля заказов на еще не созданный самолет не было, не нужно было спешить с выпуском серийных самолетов, словом, никто не торопил и было время на изучение новой технологии. Были проведены и исследования совместимости материалов в конструкции крыла. Крыло МС-21 состоит из почти девяти тысяч различных деталей. В численном отношении доля композитных элементов не велика - около 30 процентов. По массе же они составляют около 65 процентов крыла. Элементы крепятся и между собой, и с другими элементами.

В лаборатории проводятся и испытания различного крепежа для композитных деталей. Например, в большинстве случаев для крепления элементов из углепластика нельзя использовать алюминиевый крепеж. Дело в том, что пропитанная связующим углеткань и алюминиевые, например, заклепки образуют гальваническую пару , в которой алюминий очень быстро «закисает». Однако если в детали добавить несколько слоев углеткани, то гальваническая пара разрушается, но сама деталь становится крупнее и тяжелее. Чтобы избежать коррозии, крепление композитных деталей производят при помощи титана.

Марина Лысцева / ОАК

По итогам исследований в Ульяновске открылось производство «АэроКомпозит-Ульяновск». Там сегодня при помощи роботов изготавливаются «черные» крылья МС-21. К слову, при окраске МС-21 к выкатке корпорация «Иркут» специально оставила неокрашенными несколько участков крыла лайнера; чтобы было видно, что оно действительно черное. Московская опытная лаборатория сегодня, получив соответствующую государственную аккредитацию, занимается испытанием образцов-спутников. Полученные в результате проверок данные будут использоваться для сопровождения наземных и летных испытаний нового российского лайнера.

Образцы-спутники - это образцы деталей, изготовленных на заводе, из которых нарезают небольшие элементы - образцы-свидетели. Такие вот элементы проходят несколько циклов испытаний. Благодаря проверкам определяются качество и характеристики композитных деталей. Для этого в Опытной лаборатории действует Испытательная лаборатория материалов и полимерных композиционных материалов и Физико-химическая лаборатория. В ней элементы испытывают на сдвиг слоев, растяжение, сжатие, разрыв. Для этого у испытательной лаборатории есть специальные машины, способные обеспечивать нагрузку от 25 до 60 тонн. Есть стенд для динамических испытаний образцов.

История гражданской авиации мира знает примеры самолетов, конструктивные детали которых изготовлены из композитов. В этот немногочисленный перечень входят в основном широкофюзеляжные дальнемагистральные лайнеры, а вот для узкофюзеляжных самолетов композиты использовались ограниченно.

Причина была одна – производство полимерных композитов было дорогостоящим, поэтому говорить об экономическом эффекте и выгоде можно было только в случае с большими самолетами. Но то было в 90-х годах прошлого столетия, и на рубеже веков, а сегодня уже другое время.

И конструкторы корпорации «Иркут», а также ОКБ им. Яковлева на деле доказали, что применение композитов в производстве МС-21 не только дает экономическую выгоду, но еще и существенно улучшает технические параметры лайнера. Эксперты отмечают, что был проведен комплексный анализ, просчитан возможный эффект по ряду параметров, выполнено математическое моделирование, тестирование элементов. Только после серьезной работы, где изучался весь спектр технологий, и получения всех экономических расчетов было принято решение о возможности использования углепластика для производства крыла лайнера. При этом выбор был сделан в пользу метода вакуумной инфузии, который более экономичен, чем автоклавный.

Частотные испытания МС-21-300-0001

Но в то же время конструкторы поясняют, что не только стоимость была взята за основу, но еще и тот факт, что благодаря новым технологиям появилась возможность создавать более совершенные, а значит, и более надежные конструкции. Данные технологии разработаны специалистами ульяновского завода «Аэрокомпозит» в тесном сотрудничестве с зарубежными коллегами. И хотя метод вакуумной инфузии известен давно, только российские инженеры и конструкторы смогли использовать его в производстве отдельных конструкций для лайнеров.

Удлинение

Одним из важнейших преимуществ, которое дает использование композитов, является возможность изготовления крыла, имеющего низкое лобовое сопротивление. Достигается это за счет удлинения конструкции, а также более тонкого профиля.

Нужно сказать, что в любом авиационном бюро конструкторы стремятся увеличить удлинение крыла. Но есть определенные пределы, так как длинное алюминиевое крыло требует и более толстого профиля. А это значит, что эффекта от удлинения не получается, поэтому и существуют предельные коэффициенты.

Композитный материал более жесткий, чем алюминий, поэтому можно удлинить крыло, при этом не увеличивать его толщину. Стандартный коэффициент удлинения крыла из алюминия – 8-9 (это лайнеры прошлых поколений). Чуть больше у современных самолетов - 10-10,5. Коэффициент удлинения у МС-21 равен 11,5.

Что это дает? Цифры говорят сами за себя: увеличение аэродинамического качества примерно на 6%, снижение топлива на 7-8%. В среднем за годы эксплуатации самолеты типа МС-21 сжигают более 140 тысяч тонн топлива. Использование крыла из углепластика позволит сэкономить около 11 тысяч тонн горючего.

В этом отношении МС-21 превосходит все зарубежные аналоги и получает очень весомое конкурентное преимущество.

Легкость

Производство элемента крыла на предприятии "АэроКомпозит-Ульяновск"

Композитные материалы по многим техническим характеристикам превосходят алюминий. Углепластик, из которого изготавливают крыло для МС-21, отличается прочностью, жесткостью, жаропрочностью, долговечностью. Он устойчив к хрупкому разрушению и сохраняет все свои свойства при резких сменах температурных режимов.

Одним из важных параметров является легкость материала, и именно этот показатель был взят конструкторами за основу. Согласно теоретическим выкладкам, использование композита должно было привести к уменьшению общей массы лайнера примерно на 15%.

При изготовлении таких «монстров» авиации как Airbus 350XWB и Boeing 787 такого эффекта не произошло, вес остался прежний. А все дело в том, что в те годы специалисты не обладали всем багажом точных знаний о свойствах композитов. Поэтому при изготовлении элементов для лайнеров использовался более большой запас прочности. Так, запас прочности для конструкций из алюминия не превышал коэффициент в 1,5, а вот для элементов из углепластика все было иначе. Для подстраховки и обеспечения надежности, безопасности брали запас с коэффициентом 5 или даже 7.

Но благодаря кропотливой работе ученых были более глубоко и точно исследованы все свойства композитных материалов. Выяснилось, что запас прочности можно снижать, а за счет этого будет уменьшаться и масса всей конструкции лайнера.

Сегодня общий объем композитных материалов, которые используются при изготовлении МС-21, является самым большим среди всех лайнеров подобного класса. Эксперты отмечают, что доля композитов составляет примерно от 30% до 40%.

Экономический эффект

Нельзя не рассматривать и такой показатель как удешевление производства.

Длительное время использование композитов при производстве самолетов было ограничено из-за высокой стоимости материалов. Для сравнения: килограмм алюминия, используемого в авиастроении, стоит около трех долларов, а килограмм композита – 400 долларов. Именно из такого углепластика были выпущены фюзеляж и крылья Боинга-787.

Снизить стоимость позволили новые технологии производства композитных материалов, применение автоматизации на производстве. При этом надо не забывать, что сборочные операции такого масштаба автоматизировать очень непросто, а потому российские конструкторы нашли другой вариант. Ими предлагается сборка из готовых интегральных конструкций, а не из отдельных деталей.

Именно такие конструкции приходят с завода «Аэрокомпозит» в цеха корпорации «Иркут». Специалистам уже не приходится собирать мелкие детали, а значит, уменьшается весь производственный цикл.

Существенно удешевить стоимость позволил и отказ от технологии автоклавов, когда композиты получались путем формования из полуфабрикатов – препрегов. Данный способ использовался во всем мире, и у него есть ряд серьезных недостатков: длительность процессов, высокая стоимость получаемых материалов, дорогое технологическое оборудование. Также «минусом» являлся и небольшой срок хранения препрегов.

Благодаря новой технологии «прямых» процессов, а именно – вакуумной инфузии, удалось снизить время производственного цикла, уменьшить трудовые и энергозатраты. Но очень важно отработать технологию, чтобы наладить выпуск деталей, имеющих стабильные технические характеристики.

Сегодня можно сказать, что специалистам завода «Аэрокомпозит» это удалось. Их американские коллеги еще в 2006 году занимались данным вопросом, но не нашли решения. А вот инженеры «Аэрокомпозита» почти четыре года искали и выбирали по всему миру материалы, оборудование, а также разрабатывали технологии для автоматической выкладки сухого углеродного наполнителя.

Были проведены тесты, выбраны волокна, переплетения, просчитаны все зазоры между лентами композитной ткани.

Такой метод позволяет за один цикл создать интегральную деталь лайнера, тем самым снижая трудоемкость процессов почти на 8%.

Технологический процесс продуман до малейших деталей, все производства расположены в «чистых» цехах, по своей стерильности схожих с медицинскими операционными. В итоге на заводе организован полный технологический цикл, который начинается с выкладки вспомогательных материалов и подготовки оснастки и заканчивается покраской и сборкой консоли.

Как видим, проект МС-21 – это образец комплексной модернизации в самолетостроении, который позволяет обеспечить и российским лайнерам превосходные конкурентные характеристики.

Аэродинамические законцовки на крыльях - винглеты (англ. winglets) - "крылышки", присутствуют у подавляющего большинства современных лайнеров. Этот аэродинамический элемент придаёт самолёту изящность, стремительность, однако их использование - это не дань моде, а способ уменьшить индуктивное сопротивление крыла, повысить топливную эффективность и увеличить дальность полёта лайнера.

При обтекании крыла воздушным потоком возникает разность давлений над крылом и под ним. В середине крыла воздух течёт от передней кромки к задней, ближе к законцовкам картина обтекания меняется - часть воздуха, срываясь с концов крыла, перетекает из зоны повышенного давления в зону пониженного - от нижней поверхности крыла на верхнюю и накладывается на воздушный поток, набегающий на верхнюю часть крыла.

В результате, за концами крыла образуются два вихревых жгута, которые называют спутными струями. Энергия, затрачиваемая на образование этих вихрей, и определяет индуктивное сопротивление крыла.

Индуктивное сопротивление отсутствует у бесконечно длинного крыла, но реальный самолёт такое крыло иметь не может. Для оценки аэродинамического совершенства крыла существует понятие «аэродинамическое качество», - чем оно выше, тем совершеннее самолёт. Улучшить аэродинамическое качество крыла можно, увеличивая его эффективное удлинение - чем длиннее крыло, тем меньше его индуктивное сопротивление, меньше расход топлива, больше дальность полёта.

Сила вихрей зависит от размеров, формы крыла, разницы давлений над верхней и под нижней поверхностями. За тяжёлыми самолётами образуются очень мощные вихревые жгуты, которые сохраняют свою интенсивность на дистанции 10 - 15 км. Они могут представлять опасность для летящего сзади самолёта, особенно когда в вихрь попадает одна консоль. Эти вихри можно легко увидеть, если понаблюдать за приземлением реактивных самолётов. Из-за большой скорости касания посадочной полосы колесная резина горит. В момент приземления за самолётом образуется шлейф пыли и дыма, который мгновенно закручивается в вихрях.
Для преодоления индуктивного сопротивления требуется дополнительная кинетическая энергия двигателя, что увеличивает расход топлива. Уменьшить индуктивное сопротивление и повысить аэродинамическое качество - основной параметр, характеризующий совершенство самолёта, легче всего за счёт увеличения размаха крыла.

Взгляните на крылья самолёта-рекордсмена 30-х годов ХХ века АНТ-25 - длина самолёта составляет 13 метров, а размах крыла - 34! В то время не было предпосылок, да и авиационная наука не предполагала конструкцию крыла с изменённой геометрией концевой части, поэтому для дальних беспосадочных перелётов строились машины с такими длинными крыльями.

Современные условия накладывают свои ограничения на размах крыла, которые определяются конструктивными и эксплуатационными параметрами. Так, например, аэродромная инфраструктура и требования ICAO ограничивают до 36 метров размах крыла у среднемагистрального самолёта. Винглеты позволяют увеличить эффективное удлинение крыла при практически неизменном размахе.

Одним из первых исследователей влияния формы законцовок крыла на аэродинамику самолёта был Ричард Уиткомб - авиационный специалист и инженер НАСА. В начале 70-х годов он сконструировал законцовку, перпендикулярно расположенную вверх и вниз от плоскости крыла, сегодня похожую конструкцию можно увидеть у Airbus A320. Внешне винглеты сильно различаются на разных самолётах, но все они предназначены только для одного - повышение экономической эффективности лайнера.

Установка винглетов даёт дополнительно до 7% экономии топлива. Авиаконструкторы всегда стремились увеличить типовое удлинение крыла - отношение длины к средней хорде. Типовое удлинение крыла у самолётов прошлых поколений составляло коэффициент 8–9, у современных - 10–10,5, а на МС-21 - 11,5. Поэтому, даже без использования винглетов, его композитное крыло большого удлинения, образованное суперкритическими профилями (практически плоская верхняя и выпуклая нижняя поверхности), позволяет на крейсерских скоростях полёта получить аэродинамическое качество на 5-6% лучше, чем у новейших зарубежных аналогов.

Для исследования влияния винглетов на динамику полёта МС-21 в ЦАГИ были спроектированы и испытаны в аэродинамических трубах крылья с аэродинамическими законцовками. Установка винглетов требует значительного усиления конструкции крыла и увеличения его массы. При боковых порывах ветра винглеты создают серьёзную сгибающую и крутящую нагрузки на крыло, существенно увеличивают влияние бокового ветра на самолёт при взлёте и посадке, а также в зонах турбулентности.
В тоже время на начальном этапе проектирования в начале 2000-х винглеты на МС-21 предусматривались (фото макета самолёта в заголовке статьи), т.е., конструкция крыла не позволяла получить требуемую топливную эффективность. Но по мере развития проекта, появления новых материалов и технологий, от них отказались, и именно потому, что МС-21 - это современный и технологичный самолёт с высоким аэродинамическим качеством, не требующим какого-либо изменения геометрии на концах его крыльев.

По мнению заместителя гендиректора ЦАГИ, начальника комплекса аэродинамики и динамики полёта летательных аппаратов Сергея Ляпунова, винглеты - это резерв, который можно использовать на последующих модификациях. Но в настоящее время характеристики и топливная эффективность в крейсерском полёте, которые даёт суперкритическое композитное крыло, достаточны для обеспечения требуемого уровня конкурентоспособности.