Рис. 6. Применение ПКМ в конструкции фюзеляжа и оперения вертолета Ка-126
Рис. 7. Применение ПКМ в конструкции фюзеляжа и оперения вертолета Ка-60
Создание вертолета с широким применением ПКМ (главным образом, за счет внедрения новых легких органопластиков) позволило:
- снизить массу отдельных элементов конструкций на 20-30%;
- снизить массу фюзеляжа примерно на 100 кг;
- повысить отказоустойчивость и живучесть вертолета;
- увеличить ресурс отдельных агрегатов планера в 2-2,5 раза;
- снизить трудоемкость и энергетические затраты при изготовлении сложных элементов конструкции за счет уменьшения количества деталей, сокращения цикла клепально-сборочных работ в 1,5-3 раза;
- сократить продолжительность цикла изготовления агрегатов в 1,5-3 раза;
- снизить трудоемкость плазовых работ в 2 раза.
Параллельно с постройкой вертолета Ка-50 строился Ка-126, который создавался как однодвигательная (с газотурбинным двигателем) модификация Ка-26. С точки зрения применения в конструкции фюзеляжа этого вертолета полимерных композиционных материалов, мы сделали шаг назад по сравнению с Ка-50. Но это произошло не вследствие нашего разочарования в этих материалах или недостаточного опыта их применения, а лишь из-за желания сохранить возможно большую преемственность новой конструкции и Ка-26. Тем не менее из полимерных композиционных материалов для Ка-126 выполнили хвостовые балки, вертикальное и горизонтальное оперение, боковые панели, грузовой пол транспортной кабины, ряд панелей центрального кессона, а также различные обтекатели, зализы и крышки люков, что в общей сложности в конструкции фюзеляжа составило около 20% (см. рис. 6). Всего на вертолете насчитывается 41 панель трехслойной конструкции и только 6 из них выполнены из алюминиевых сплавов.
Ярким примером преимущества ПКМ перед традиционной металлической конструкцией может служить хвостовая балка Ка-26, ведь у нее есть прослуживший более 25 лет аналог - хвостовая балка вертолета-предшественника Ка-26. Анализ характеристик обеих конструкций показывает, что по сравнению с хвостовой балкой вертолета Ка-26 в хвостовой балке Ка-126 количество деталей сокращено со 109 до 38, количество единиц крепежа с 1570 до 100, а количество применяемых материалов с 27 до 8.
В это же время продолжалась отработка создания различных типов конструкций элементов фюзеляжа из ПКМ, отработка способов соединения между собой агрегатов из ПКМ, а также поиск (продолжающийся и сейчас) наиболее оптимального решения проблем, возникающих в области радио- и электрооборудования в связи с заменой традиционной металлической конструкции фюзеляжа конструкцией из ПКМ.
Итак, приступая к проектированию вертолета Ка-62, мы уже имели достаточный опыт проектирования, постройки и эксплуатации вертолета с фюзеляжем из ПКМ. Это позволило нам создать фюзеляж, уже более 60% конструкции которого создано из этих материалов. В сознании разработчиков прочно укрепилась мысль о том, что для получения существенных преимуществ при внедрении в конструкцию фюзеляжа полимерных композиционных материалов необходимо переходить к созданию крупногабаритных конструкций из композиционных материалов с одновременным расширением их применения. Это приведет к увеличению весовой отдачи, снижению трудоемкости изготовления и сборки агрегатов, широкому внедрению систем автоматизированного проектирования на всех этапах - от чертежа до готовой продукции. При этом проектирование конструкций должно вестись на новых принципах, исключающих механическое копирование идеологии металлических конструкций. С учетом этих соображений мы разрабатывали конструкцию фюзеляжа вертолета Ка-62.
В этой модели вертолета внедрен широкий спектр типов конструкций из ПКМ: от уже привычных трехслойных панелей с сотовым заполнителем типа ПСП-1 и обшивками из материалов типа «органит- уголь» до многослойных силовых элементов - балок, шпангоутов и других аналогичных элементов конструкции фюзеляжа (см. рис. 7, 8).
Применение ПКМ в отдельных агрегатах типа оперения и хвостовой балки доходит до 90% и более от общей массы агрегата. В конструкции фюзеляжа этого вертолета уже широко применяется технология выкладки препрегов, а также намотки таких элементов, как лонжероны консолей стабилизатора и вертикального оперения, хвостовая балка, балка крепления хвостового редуктора.
Из металла на фюзеляже этого вертолета выполнены:
- стыковочные шпангоуты;
- шпангоуты и балки, воспринимающие большие сосредоточенные нагрузки (например, крепление главного редуктора, шасси);
- некоторые стенки и панели, где применение ПКМ нецелесообразно вследствие наличия в них большого количества различных вырезов и точек крепления для монтажа различных систем вертолета, а также панели двигательного отсека и отсека ВСУ (из-за требований огненепроницаемости).
Рис. 8. Фюзеляж вертолета Ка-62, предназначенный для статических испытаний
Приобретенный нами опыт проектирования и изготовления элементов конструкции фюзеляжа из полимерных композиционных материалов позволяет сделать ряд выводов. Во-первых, для получения наибольшего эффекта от внедрения в конструкцию ПКМ проектирование вертолета, начиная с первой его компоновки, должно вестись с учетом особенностей этих материалов. Необходимо учитывать, например, что наибольшего снижения массы от использования ПКМ в конструкции фюзеляжа вертолета можно добиться, применяя эти материалы лишь в крупногабаритных конструкциях с минимальным количеством стыков. Нельзя забывать, что лучше всего полимерные композиционные материалы работают на растяжение и значительно хуже на сжатие. Следовательно, крепление и расположение агрегатов вертолета, «отвечающих» за основное нагружение, должно, по возможности, выбираться так, чтобы эти материалы работали на растяжение. Кроме того, прокладка трасс трубопроводов и жгутов должна проектироваться так, чтобы не допускать большого количества разветвлений. Сами же места крепления систем к фюзеляжу по возможности должны быть общими для разных систем. Чем больше отверстий (вырезов) и крышек люков, тем менее эффективным становится применение ПКМ по сравнению с обычной металлической конструкцией и т.д.
Во-вторых, создание оптимальной по прочности, массе и стоимости конструкции с использованием полимерных композиционных материалов невозможно без применения современных методов расчета на прочность с учетом анизотропии свойств материалов. Причем эти расчеты должны быть подкреплены достаточным количеством экспериментальных данных. В противном случае можно либо совсем не получить никаких преимуществ от ПКМ, либо их преимущества будут сведены к минимуму, по сравнению с которым затраты, связанные с изготовлением композитных деталей и агрегатов, окажутся такими, что заставят отказаться от их применения в данной конкретной конструкции.
В-третьих, важнейшим вопросом остается качество изготовления деталей и агрегатов из ПКМ.
Последние два пункта не являются предметом рассмотрения в данной статье и лишь обозначены здесь, но обоим этим вопросам в фирме «Камов» уделяется пристальное внимание.
Дальнейшее снижение массы каркасных конструкций с помощью применения ПКМ возможно в двух направлениях: во-первых, за счет применения термоусаживаемых клеевых пленок с массой 150-200 г/м² ; во-вторых, за счет применения клеевых препрегов, что позволяет снизить не только массу трехслойных панелей, но и трудоемкость их изготовления (изготовление конструкции за один технологический переход).
Таким образом, опыт работы конструкторов фирмы «Камов» позволяет сделать однозначный вывод: будущее при создании вертолетных фюзеляжей мы видим в разумном применении в их конструкции все большего количества полимерных композиционных материалов.
Вагин А.Ю., Головин В.В., фирма «Камов»
Аэрокосмический мониторинг
Внешний вид тепловизора