За последние несколько лет в России достигнут существенный прогресс в создании авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов. Разработчики самолетов научились применять их для проектирования высоконагруженных агрегатов. Развернута производственная база для их серийного выпуска. К созданию материалов для производства композитных конструкций подключаются новые компании — как государственные, так и частные. На глазах вырастает новый сегмент авиастроительной отрасли.
Василий Иванов
Международная кооперация в гражданском авиастроении сегодня — это норма. Компании, производящие коммерческие лайнеры, не ставят перед собой задачи создать машину только из отечественных деталей и материалов. На первом плане — конкурентоспособность и экономическая эффективность. В международной кооперации реализуется и проект перспективного российского среднемагистрального самолета МС-21.
Однако политическая ситуация изменилась. В прессе появились сообщения о том, что из-за американского запрета на поставку материалов для производства композитного «черного» крыла программу МС-21 могут ждать проблемы и перенос даты начала серийного производства лайнера.
Среднемагистральный — на взлет!
«Популярная механика» решила разобраться в этой ситуации и получить информацию из первых уст. Но сначала вкратце напомним, о чем идет речь. Полимерные композиционные материалы применяются в отечественной и зарубежной авиации десятки лет. Однако крупные силовые конструкции из композитов, прежде всего из углепластика, дебютировали в большой коммерческой авиации вместе с первым полетом Boeing 787 Dreamliner в 2009-м. Из карбона были выполнены как секции фюзеляжа, так и крыло. Четыре года спустя в воздух поднялось детище концерна Airbus — основного конкурента Boeing. Это был А350 XWB, где композитными были и элементы фюзеляжа, и крыло. Обе машины относятся к широкофюзеляжным дальнемагистральным лайнерам.
Среднемагистральные самолеты семейства Boeing 737 и A320 создавались до появления композитов с нужными свойствами. Первым в этом классе гражданским самолетом с композитным крылом стал российский МС-21, летные испытания которого начались в 2017 году.
Учитывая сильные позиции B737 и A320 в среднемагистральном сегменте рынка, разработчики МС-21 сделали ставку на достижение технического превосходства в двух ключевых характеристиках: это комфорт пассажиров и экономическая эффективность. И то и другое требовало существенно более высокого аэродинамического совершенства конструкции. В частности, только за счет аэродинамики можно было компенсировать увеличенную ширину фюзеляжа, необходимую для повышения комфорта. Специалисты знают, что основа аэродинамического совершенства — это характеристики крыла. «Для достижения оптимальных аэродинамических характеристик для МС-21 было разработано крыло большого удлинения со сложным профилем, — говорит генеральный директор АО «АэроКомпозит» Анатолий Гайданский. — Из металла сделать его практически невозможно — только из углепластика с его уникальной жесткостью. А хорошая аэродинамика дает нам серьезный выигрыш в топливной эффективности».
Анатолий Гайданский: «Наше главное достижение — это умение разрабатывать, испытывать и серийно производить силовые композитные конструкции с учетом особенностей тех или иных материалов различных производителей».
Российские компетенции
Компания «АэроКомпозит» была создана Объединенной авиастроительной корпорацией как центр компетенций в области инновационных разработок и внедрения композитных конструкций в гражданские воздушные суда. Предприятие включает в себя конструкторское и технологическое бюро, опытную и испытательную лаборатории, а также два предприятия полного цикла по производству композитных конструкций в Ульяновске и Казани. Именно в стенах АО «АэроКомпозит» было разработано «черное» крыло для МС-21. Стоит пояснить, что в реальности оно состоит не только из композита. Нервюры выполнены из алюминия, в точках высоких сосредоточенных нагрузок применяется титан. Из композиционных материалов делаются основные силовые конструкции: крыльевые панели (монолитные детали длиной 18 м), два лонжерона, панели центроплана и все подвижные аэродинамические плоскости (рули плюс механизация).
Легкое и высокотехнологичное Оптимальной аэродинамики можно достичь с крылом большого удлинения, однако в этом случае карбону альтернативы нет. В МС-21 из композиционных материалов делаются основные силовые конструкции: крыльевые панели (монолитные детали длиной 18 м), два лонжерона, панели центроплана и все подвижные аэродинамические плоскости (рули плюс механизация).
26 сентября 2018 года Министерство промышленности и торговли США внесло АО «АэроКомпозит» в санкционный список, после чего прекратились поставки некоторых исходных материалов. Один из главных компонентов композита — углеродная лента. От ее качества во многом зависят параметры конечного продукта. В период проектирования МС-21 подходящая углеродная лента выпускалась в США. Для деталей самолета она была доработана по российским требованиям. «В то время в России не производились такие материалы, — рассказывает Анатолий Гайданский. — Мы начинали работать с американской компанией Cytec, которая впоследствии была приобретена бельгийской фирмой Solvay, имеющей производство в США. Теперь в силу санкций это сотрудничество приостановлено».
Однако в России все эти годы не сидели сложа руки. Учитывая большие перспективы композитов на основе углепластика, ими занялись как государственные, так и частные компании. В промышленном кластере «Алабуга» корпорация «Росатом» построила новейшее предприятие по производству углеволокна. Как показывают первые тесты, по ключевым параметрам оно уже сейчас близко к лучшим зарубежным материалам.
Интересное в сети
«Мы взаимодействуем с российскими производителями, опираясь и на опыт работы с американцами, — говорит Анатолий Гайданский. — В свое время мы сформулировали требования к нужному нам углеволокну, и по нашему заказу они дорабатывали свою продукцию до необходимых параметров». Глава «АэроКомпозита» подчеркивает: «Наше главное достижение — это умение разрабатывать, испытывать и серийно производить силовые композитные конструкции с учетом особенностей тех или иных материалов различных производителей». В результате при использовании российских материалов в программе МС-21 не придется менять аэродинамику крыла и ухудшать экономические показатели машины.
Выручит «Росатом»
Для производства композитного кессона крыла требуется углеродная лента и связующее. Анатолий Гайданский говорит, что по обоим компонентам есть российские поставщики. Завод «Росатома» в Алабуге производит угольное волокно, которое «АэроКомпозит» может использовать.
Исходный материал для производства углеволокна — акрилонитрил — получают на химических производствах из углеродного сырья. Это жидкое вещество помещается в реактор, где под воздействием высоких температур полимеризуется, а затем высаживается в жидкую среду через фильеры, высушивается и проходит деформацию: молекулы полимера выстраиваются так, чтобы получилась нить с наивысшей прочностью. Это сложная технология, и именно от ее уровня зависит качество будущего продукта. Светлая нить, называемая ПАН-прекурсор, потом обжигается в печи, превращаясь в углеволокно.
Рождение крыла Станция позиционирования панелей на каркасе кессона крыла. В настоящее время произведено три летных экземпляра МС-21 и один для наземных статических испытаний. Крыло опытных образцов еще несет в себе иностранные компоненты, однако в серийном производстве оно будет изготавливаться полностью из российских материалов.
Сегодня завод «Росатома» получает ПАН-прекурсор от сторонних поставщиков. Однако уже в 2020 году в строй вводится вторая очередь алабужского предприятия, которое будет производить ПАН-прекурсор высшего качества. Что касается связующего, то, по словам Гайданского, отечественный материал уже сегодня по ряду ключевых параметров превосходит иностранный. Глава «АэроКомпозита» подчеркивает: «В России сформирован пул компаний, которые будут обеспечивать нас композитными материалами в интересах программы МС-21».
Безусловно, использование новых материалов потребует дополнительного тестирования. Оно пройдет параллельно с испытаниями самолета МС-21, а его результаты будут оформлены в виде дополнения к сертификату типа воздушного судна.
Интересное в сети
Обнинск санкций не боится
«За последние годы мы приняли участие в нескольких федеральных целевых программах по импортозамещению, поэтому санкции не нарушили наших планов, — говорит Анатолий Хмельницкий, заместитель генерального директора по производству ОНПП «Технология» им. А. Г. Ромашина. — В МС-21 мы отвечаем за композитное хвостовое оперение, делаем кессоны киля и стабилизатора. Во время испытаний наши конструкции выдержали превышение расчетной нагрузки на 150%. С полуторным запасом прочности потеря 5−7% при переходе на отечественные материалы для нас не имеет значения. Никаких изменений в конструкцию вносить не придется. Да, на дополнительные сертификационные испытания придется потратить какое-то время, но это не критично. В нашей стране за многие годы накоплен опыт производства композиционных материалов и изготовления на их основе сложных конструкций для отечественных воздушных судов. Мы значительно опережали или как минимум работали на уровне наших западных коллег с углеродными материалами и связующими. Технологии, проверенные временем, у нас есть. Строительство производственных мощностей идет полным ходом. Верим в себя и работаем дальше!»
Статья «Полетит ли «черное» крыло?» опубликована в журнале «Популярная механика»
(№3, Март 2019).
Спасибо!
Теперь редакторы в курсе.