- снизить трудоемкость изготовления и сборки агрегата из сотовых панелей по сравнению с трудоемкостью изготовления и сборки каркасного агрегата аналогичного назначения на 43-50%;
- снизить массу трехслойных панелей с сотовым заполнителем при замене алюминиевых сплавов на органопластик на 15-23%;
- сократить количество необходимого технологического оборудования в 3 раза;
- повысить удельную прочность, жесткость и устойчивость конструкции при работе в условиях сложного (в том числе динамического) нагружения;
- снизить время разработки конструкторской документации.
Процесс внедрения ПКМ в конструкцию фюзеляжей условно можно разделить на три этапа.
Первый этап - создание отдельных деталей несилового назначения из стеклопластика путем механической замены металла (в основном, обшивок) на полимерные композиционные материалы (в основном, стеклопластик) в рамках традиционной конструкции «металлического» типа. По времени этот этап охватывает период с конца 50-х до начала 70-х годов (Ка-25, Ка-26).
Второй этап - разработка и внедрение агрегатов силового назначения, в том числе трехслойных панелей с сотовым заполнителем и обшивками из полимерных композиционных материалов. По времени этот этап охватывает период с начала 70-х до середины 80-х годов (Ка-27, Ка-126, Ка-50).
Третий этап - создание интегральных цельнокомпозитных структур и крупногабаритных конструкций агрегатов фюзеляжа на базе многофункциональных материалов. По времени этот этап охватывает период с середины 80-х годов по настоящее время (Ка-62).
Динамику применения ПКМ в конструкции планера вертолетов марки «Ка» можно увидеть, проследив хронологию создания наших вертолетов (рис. 1).
Последним аппаратом ОКБ, который имел классический цельнометаллический фюзеляж, был винтокрыл Ка-22. Уже на вертолете Ка-25, созданном в конце 50-х годов, из ПКМ был выполнен обтекатель РЛС и создан экспериментальный отсек стабилизатора, в котором кессонная часть была выполнена из трехслойных панелей с обшивками из стеклопластика и хлопчатобумажными сотами в качестве заполнителя. Одновременно на этом вертолете был получен опыт эксплуатации трехслойных панелей с сотовым заполнителем в виде конструкций грузового пола, что в дальнейшем позволило перейти к их широкому применению в конструкции наших фюзеляжей.
Первым вертолетом, где в достаточно заметном количестве были применены полимерные композиционные материалы, стал вертолет Ка-26, созданный в начале 60-х годов. В основном, это были стеклопластики на связующем холодного отверждения (в конструкциях типа зализов, капотов и обтекателей) и готовые пластики типа стеклотекстолитов (обшивки панели пола грузопассажирской кабины). Для этого вертолета специалисты нашего предприятия впервые попытались создать хвостовую балку методом намотки, но конструкция оказалась неудачной. Полимерные композиционные материалы в конструкции фюзеляжа составили в то время около 5-6% от общего веса фюзеляжа.
В дальнейшем, с появлением новых ПКМ высокой прочности и жесткости на связующих горячего отверждения, возможности применения таких материалов в конструкции фюзеляжей вертолетов расширились. Так, на вертолете Ка-27, построенном в середине 70-х годов, уже применены полимерные композиционные материалы в конструкции рулей направления, стабилизатора, килей, предкрылков, в крышках люков, обтекателях антенн. В нагруженных частях фюзеляжа широко используются клееные конструкции в виде трехслойных панелей с сотовым заполнителем, но обшивки этих панелей, в основном, выполнены из алюминиевых сплавов. Трехслойные панели с обшивками из ПКМ и монолитные панели из стеклопластика были применены в конструкции интерьера вертолета Ка-32.
Внедрение новых материалов предопределило решительный переход от традиционной металлической стрингерной (каркасной) конструкции к слоистой с обшивками из ПКМ и сотовым заполнителем. На вертолетах Ка-27, Ка-29, Ка-32 впервые в наших конструкциях были применены органопластики типа «органит-7т» (зарубежный аналог - «кевлар»), по удельной жесткости не уступающие алюминиевым сплавам, а по прочности превосходящие их в 3-4 раза. Низкая скорость распространения трещин (в том числе усталостных), высокая вязкость разрушения, ударо- и вибропрочность органопластиков позволили нам применить их в конструкциях таких агрегатов, как рули направления, хвостовая часть стабилизатора.
Рис. 2. Кессон крыла вертолета Ка-50
Рис. 3. Хвостовая балка вертолета Ка-50 (снята правая боковая панель)
Рис. 4. Контейнер топливного бака вертолета Ка-50
Нами были изготовлены опытные агрегаты и проведены все виды испытаний (в том числе летные), в результате которых был достигнут положительный результат: при увеличении разрушающей нагрузки на 9% получено снижение массы отдельных элементов руля направления на 30%, а массы всего руля - на 15%. Однако вследствие того, что в то время промышленный выпуск органопластика еще не был налажен в требуемом объеме, в серийное производство был запущен вариант конструкции оперения из стеклопластика.
Следующим шагом, значительно расширившим область применения ПКМ в конструкции фюзеляжей наших вертолетов, стал вертолет Ка-50, в конструкции которого эти материалы составили уже около 36% от массы фюзеляжа.
С самого начала проектирования этого вертолета учитывалась возможность широкого применения в конструкции его фюзеляжа ПКМ. Поэтому теоретические обводы фюзеляжа и компоновочные решения по возможности постарались выбрать так, чтобы панели получились плоскими или одинарной кривизны. Такая задача была выполнена, и в настоящий момент из всех трехслойных панелей, имеющихся в конструкции фюзеляжа, 90% - плоские или одинарной кривизны. Это значительно повышает технологичность вследствие упрощения изготовления оснастки, меньшего коробления панелей при изготовлении, существенного упрощения раскроя препрегов.
При сравнительно небольших габаритах вертолета свыше 70 м2 поверхности его фюзеляжа занимают более 100 трехслойных панелей с сотовым заполнителем. 40% этих панелей можно отнести к силовым конструкциям (например, панели кабины экипажа, консолей стабилизатора, крыльев, вертикального оперения, хвостовой балки, центрального кессона, контейнеров топливных баков, см. рис. 2, 3, 4, 5). Максимальный размер панелей фюзеляжа составил 2х1,5 м. Кроме конструкций типа трехслойных панелей, из полимерных композиционных материалов выполнены окантовки дверей и люков кабины экипажа, носовой кок, различные зализы, кожухи и другие элементы конструкции фюзеляжа.
В конструкции фюзеляжа этого вертолета были использованы следующие материалы: обводообразующие элементы, стенки, шпангоуты, в основном, представляют собой трехслойные панели с обшивками из материалов типа «органит» или композиций «органит- уголь», «органит-стекло» и с сотовым заполнителем типа ПСП-1, которые собираются на металлическом каркасе традиционным способом - клепкой. Работа по внедрению ПКМ в конструкцию фюзеляжа вертолета Ка-50 проводилась нами совместно с другими институтами отрасли по целевой комплексной программе и включала в себя не только создание материалов, но и поиск конструктивнотехнологических решений. Реализация таких конструкторских и технологических решений позволила не только снизить массу агрегатов, но и в несколько раз уменьшить количество деталей, что привело к резкому снижению трудозатрат при изготовлении деталей и сборке агрегатов. Сам же характер сборочных работ (способы сборки и применяемый инструмент) существенно не изменился, что также способствовало быстрому внедрению в производство.
В процессе создания этого вертолета был решен ряд задач, связанных с заменой традиционной металлической конструкции на конструкцию из ПКМ: снятие статического электричества, увеличение работоспособности антенных устройств, герметичности тонких пластиковых обшивок и др.
Рис. 5. Применение ПКМ в конструкции фюзеляжа и оперения вертолета Ка-50