Выполнив этот этап, мы смогли двигаться дальше.
Каково содержание дальнейших работ?
Всего запланированы испытания трех прототипов кессона.
Первый, о котором я сказал, полностью еще не отработан. После ремонта он будет использован для дальнейшего исследования поведения конструкции, имеющей различные повреждения, а также отремонтированные участки. Второй прототип также находится в лаборатории статических испытаний, где ведется ряд работ, связанных как с прочностью, так и с отработкой технологий стыковки композитных деталей с металлическими.
Третий прототип кессона будет испытан в лаборатории динамических испытаний с позиции усталостной прочности при эксплуатации.
Параллельно с испытаниями прототипов кессона запланирован колоссальный объем испытаний различных образцов и элементов конструкции. В целом будет испытано несколько тысяч образцов и элементов конструкции.
Затем мы просуммируем все результаты и подведем итоги, на базе которых будут приняты решения и рекомендации для дальнейших проектных работ.
В чем особенности испытаний конструкций из композиционных материалов?
Основная особенность состоит в том, что композиты, в отличие от металлов, сами являются конструкцией, причем анизотропной. В ней есть волокна углерода, связующее, укладка слоев с различной ориентацией и т.д.
Композиты обладают колоссальными потенциальными преимуществами, как, например, отсутствие коррозии, высокие ресурсные характеристики, очень высокая удельная прочность. Этот показатель для углеродных волокон – основы современных композитов – доходит до 500 кг/мм² , т.е. в 3-5 раз выше, чем у стали.
Однако реализовать и использовать эти высокие характеристики в реальных условиях конструкции достаточно сложно. Любая инновация имеет свои плюсы и минусы. Так, например, для композитов критична ударная прочность, климатические воздействия. Приходится проводить много испытаний, чтобы ответить на вопрос, как изменится прочность всех подверженных эксплуатационным повреждениям агрегатов. Причем эти повреждения могут быть и при изготовлении, и при эксплуатации.
Отсюда возникает очень большая пирамида испытаний – от элементарных образцов и небольших элементов до полноразмерной конструкции. Все они нагружаются и на растяжение, и на сжатие, и на сдвиг, и на межслойный отрыв.
Необходимо изучить характеристики прочности агрегатов при климатических воздействиях, при насыщении влагой, при взаимодействии с различными жидкостями (например, с керосином), при акустических воздействиях. Возникают и другие вопросы – например, стойкость композитов к удару молнии, методика испытаний металло-композитных конструкций.
Нам важно все это изучить и понять для конкретной конструкции.
Насколько возрастет объем испытаний при переходе от металлов к композитам?
Если просто посмотреть на характеристики типового металлического материала, которые исследуются при квалификации материалов, при сертификации, то для композиционных материалов число исследуемых характеристик больше в 2-2,5 раза.
Поскольку композиты сами по себе являются конструкцией, нам нужно знать гораздо больше параметров. Кроме того, необходимо учитывать значительные статистические разбросы, характерные для композитов.
Соответственно, на фоне существенных инноваций объем работ велик. Однако, по мере накопления опыта, верификации математических моделей, совершенствования расчетных методов, технологий он придет к какой-то разумной величине.
Прогрессу в исследованиях также будет способствовать стабилизация характеристик композитов. Это важно для конструкторов, которые могут не «закладываться» на заметный разброс параметров материала и, соответственно, сокращать объем испытаний.
Повышение доли композитов в конструкции самолетов – это тенденция?
Прототип кессона композиционного крыла самолет МС-21 (№2) в зале статических испытаний комплекса прочности ЛА ЦАГИ
Образец панели из поликарбоната и углепластика для использования в конструкциях аэроупругих моделей
Макет конструктивно подобной модели пилона двигателя МС-21 для исследования эффектов аэроупругости. Макет изготовлен по технологии быстрого прототипирования.
Композитные материалы очень активно развиваются. Это – глобальная тенденция. Наша задача – взять рациональное, оптимальное сочетание из тех материалов, которые имеются на сегодня.
Композиты – это общее название. Есть металлокомпозиты. Есть композиты не только на базе углеродных волокон, но и на основе органических.
Будущие конструкции будут комбинированными. Даже испытываемый прототип кессона содержит около 50% металла. В зависимости от характера нагружений отдельной части конструкции, отдельного агрегата мы должны из базы имеющихся материалов выбрать то, что наиболее подходит.
Движение в направлении создания новых композитов неизбежно. Они, в частности, позволяют в дальней перспективе создать «умные» материалы при внедрении в слои и волокна интеллектуальных элементов.
Однако есть очень важный момент. Если мы берем новый материал и делаем из него конструкцию, которую 50 лет отрабатывали из алюминия, то позитивный эффект не гарантирован. Конструкция должна идти навстречу новым материалам.
Недавно мы в Германии обсуждали с коллегами результаты очень интересного совместного проекта, направленного на использование композитных сетчатых изогридных конструкций в фюзеляже. Они в нашей стране активно используются в ракетной технике. Это – пример взаимодействия развития материалов и развития конструкций.
Я думаю, что мы придем к оптимальной комбинированной конструкции, но к ней и в России, и за рубежом приходится идти через исследования, эксперименты, отработку технологий, накопление опыта проектирования и серийного производства.
Как изменяется экспериментальная база ЦАГИ в связи с проектом МС-21?
На раннем этапе мы наметили комплексный план работ по обеспечению прочности, совместно с корпорацией «Иркут» сформировали программу экспериментальных работ.
В настоящее время параллельно с испытаниями мы ведем работы по подготовке стендов, которые будут использоваться на заключительном этапе проекта. Это стенды для испытаний на ресурс и живучесть отсека цилиндрической части фюзеляжа и его отдельных панелей. Идет проектирование стендов для испытаний на статическую усталостную прочность и живучесть всего планера самолета, механизации на натурном крыле самолета, кессона стабилизатора на усталость, живучесть и статическую прочность и т.д.
Вводятся в строй большие климатические камеры, в которых можно будет испытывать крупные агрегаты, прежде всего композитные.
Надеемся, что результаты этих работ позволят создать надежный самолет с достаточно эффективной конструкцией, но впереди еще очень много работы.
Вы упомянули о проблеме аэроупругости применительно к МС-21…
Мы приступили к ее изучению на начальной стадии проекта, понимая, что конструкция самолёта с крылом большого удлинения потребует углубленного изучения нагрузок на упругое крыло и его аэроупругой устойчивости.
С использованием методик ЦАГИ, по которым ранее были просчитаны все другие отечественные конструкции, проведены подробные расчеты крыла и всего самолета МС-21.
На ранней стадии была создана поисковая аэроупругая модель крыла самолета. От аэродинамических моделей ее отличает то, что здесь воспроизведены (с соответствующими параметрами подобия) жесткостные и инерционные характеристики конструкции.
При испытаниях в аэродинамической трубе были проверены наши расчетные методы для определения границ флаттера, получены необходимые рекомендации.