Ohrenburg, Orenburg, Russian Federation
employee
Ohrenburg, Orenburg, Russian Federation
student
Ohrenburg, Orenburg, Russian Federation
student
Ohrenburg, Orenburg, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.03 Машиноведение и детали машин
GRNTI 55.09 Машиностроительные материалы
The purpose of the work presented in the paper consists in the choice of radio-transparent material that can withstand loads influencing a nose cone of an aircraft during a flight. In the paper there is solved a problem which consists in comparing the characteristics of different materials used in aircraft industry both common materials and composites and in the choice of the most efficient field of materials that meet the requirements of radio-transparency, strength and heat-resistance. The investigation work is carried out by means of the collection, processing and analysis of data obtained through an experimental way and containing information on strength characteristics, radio-transparency characteristics, on the range of operation temperatures, density and rigidity of each kind of material analyzed. On the basis of the investigation results a field of application of the materials under consideration is offered: in accordance with physical characteristics of composites analyzed the most efficient solution will be the application of glass-ceramic composites for manufacturing radio-transparent nose cones exposed to strong temperature changes during short periods of time caused by super-sonic speed achieved during flights and glass-ceramics, but glass-plastic having lower density and heat-resistance – for manufacturing nose cones of sub-sonic planes which are not subjected to such high thermal loads, at that it was defined that aircraft steels and composites based on metal matrix are not suitable for manufacturing nose cones in view of their high density and low radio-transparency.
radio-transparent composites, glass-ceramics, adhesive pre-pregs, glass-plastic, nose cone
Введение
Снижение массы конструкции воздушного судна является одной из основных задач, решению которой авиаконструкторы посвящают большое количество времени. Использование композиционных материалов при проектировании летательных аппаратов может существенно уменьшить массу конструкции летательного аппарата, увеличив массу полезной нагрузки и снизив расход топлива. Достигается такой эффект при легкости композиционных материалов в сравнении с традиционными авиационными материалами, такими как алюминиевые сплавы Д16, АК6, АМГ6, АЛ9 и другие [1]. Однако, если при проектировании, механизации крыла (закрылков или интерцепторов), элементов оперения, пилона или мотогондолы допускается использование как традиционных металлических авиационных материалов, так и композитных, то при проектировании носового обтекателя летательного аппарата необходимо учитывать, что материал, из которого обтекатель будет изготовлен, должен быть радиопрозрачным, а следовательно традиционные металлические сплавы для этой цели не подходят. В связи с этим актуальным является вопрос подбора прочного и радиопрозрачного материала, подходящего для изготовления носового обтекателя летательного аппарата.
Композиционные материалы, используемые при проектировании носовых обтекателей. Преимущества композиционных материалов перед традиционными.
В современной авиационной промышленности все больший процент от массы конструкции летательного аппарата занимают именно композиционные материалы (рис. 1).
Рис. 1. Использование композитов в современном авиастроении
Композиционные материалы все чаще используются при изготовлении планера самолета, обусловлено это тем, что традиционные конструкционные материалы на металлической основе заметно уступают им по прочностным и весовым показателям. Экспериментальные данные показывают, что использование композитов позволяет уменьшить вес планера летательного аппарата на 30-40 %, резерв веса, полученный путем применения новейших композиционных материалов, используют для увеличения полезной нагрузки, переносимой летательным аппаратом, либо для увеличения дальности полета [2].
Структурно композиционный материал – это материал, который состоит из матрицы, скрепляющей армирующий элемент, такой материал является однородным в макромасштабе, но неоднородным в микромасштабе, а также обладает свойствами, не присущими его компонентам по отдельности [3]. К преимуществам композитных материалов относят их высокую удельную и усталостную прочность, высокую износостойкость и жесткость. Так как за монолитность материала, его стойкость к внешним воздействиям, а также распределение и передачу напряжения отвечает матрица композита, при этом армирующий материал выполняет роль упрочняющей структуры и является более прочным компонентом по сравнению с матрицей. Путем подбора свойств матрицы и армирующего материала можно добиться необходимого сочетания технологических и эксплуатационных свойств (табл. 1).
В ходе анализа табл. 1 становится очевидным то, что применение в авиационной технике композиционного материала на основе никелевой матрицы с армирующей вольфрамовой или молибденовой проволокой не оправдано с точки зрения весовых характеристик материала. Плотность композитов на основе этих элементов превышает среднюю плотность остальных композиционных материалов в 4-6 раз при схожих значениях модуля упругости и расчетного напряжения. Помимо неподходящих весовых характеристик, композиционные материалы, основой которым служит металлическая матрица, не удовлетворяют требованиям радиопрозрачности, поэтому при выборе материала для изготовления обтекателя летательного аппарата их можно не рассматривать.
Наиболее широко востребованными характеристиками при производстве носового обтекателя, является высокая жаропрочность композитов, их радиопрозрачность, определяемая величиной искажения радиоволн заданного спектра частот и допустимой величиной ослабления мощности электромагнитного потока, а также высокая ударная вязкость, надежность и прочность во всех температурных диапазонах, устойчивость к тепловому удару [5]. Такие требования, предъявляемые к носовым обтекателям летательных аппаратов, обусловлены тем, что наиболее интенсивные нагрузки, вызванные скоростным напором, действуют именно на обтекатель.
Таблица 1
Свойства композиционных материалов [4]
|
№ |
Матрица |
Армирующий материал |
Плотность, г/см3 |
Расчетное напряжение, ГПа |
Модуль упругости, ГПА |
|
1 |
Эпоксидная |
Стеклянное волокно |
1,9-2,2 |
1,2-2,5 |
50-68 |
|
2 |
Органическое волокно |
1,3-1,4 |
1,7-2,5 |
75-90 |
|
|
3 |
Углеродное волокно |
1,4-1,5 |
0,8-1,5 |
120-220 |
|
|
4 |
Борное волокно |
2-2,1 |
1-1,7 |
220 |
|
|
5 |
Алюминиевая |
Борное волокно |
2,6 |
1-1,5 |
220-250 |
|
6 |
Углеродное волокно |
2,3 |
0,8-1 |
200-220 |
|
|
7 |
Магниевая |
Борное волокно |
2 |
0,7-1 |
200-220 |
|
8 |
Углеродное волокно |
1,8 |
0,6-0,8 |
180-220 |
|
|
9 |
Никелевая |
Вольфрамовая проволока |
12,5 |
0,8 |
265 |
|
10 |
Молибденовая проволока |
9,3 |
0,7 |
235 |
|
|
11 |
Углеродная |
Углеродное волокно |
1,5-1,8 |
0,35-1 |
120-220 |
|
12 |
Керамическая |
Волокно карбида кремния |
3,2 |
0,48 |
- |
При выборе материала для проектирования носового обтекателя стоит учитывать разнообразие и сложность форм современных обтекателей. В зависимости от скорости полета изменяется удлинение носового обтекателя и нагрузки, которые он должен выдерживать. Чем выше скорость полета, тем выше требования к прочности материала и больше удлинение обтекателя.
Стеклокерамические композиционные материалы
Обладая высокой термостойкостью и однородностью свойств, стеклокерамические композиты являются очень перспективным материалом для изготовления радиопрозрачных конструкций. Благодаря высокой стабильности свойств, при изменении температур от -60 до +1200 градусов Цельсия обтекатели из стеклокерамики могут исправно работать в условиях жесткого термоудара и при скоростях, превышающих скорость звука в 3-4 раза [6]. Помимо этого, они характеризуются низким тангенсом угла диэлектрических потерь (tgδ), который определяет количество энергии, поглощаемой материалом обтекателя при прохождении через него излучения. Другими словами, обтекатель, выполненный из материала, характеризующегося высоким значением tgδ, снижает радиус действия антенного устройства. Кроме того, важна не только малая величина tgδ, но и его стабильность во всем диапазоне температур эксплуатации [6]. Перечисленные выше характеристики материала во многом определяют толщину стенки обтекателя. Если толщина стенки кратна половине длины волны излучения передающего устройства, то помехи, создаваемые обтекателем, будут минимальны, в свою очередь на длину волны, которая распространяется в стеклокерамическом обтекателе, влияет диэлектрическая проницаемость материала. Также как и в случае с tgδ большое значение имеет стабильность диэлектрической проницаемости (ε) в диапазоне рабочих температур обтекателя [7]. Одним из примеров такого материала является стеклокерамический композиционный материал «Pyroceram 9606», производимый американской фирмой «Corning Glass. Его недостатком является необходимость проведения механической и термической обработки поверхности после термообработки, что позволяет достичь требуемых показателей прочности и устойчивости к тепловому удару и дождевой эрозии. Устойчивость к повышенной влажности обеспечивается отсутствием пористости материала [6]. Характеристики этого материала представлены в табл. 2.
Таблица 2
Характеристики «Pyroceram 9606» [8]
|
Плотность, г/см3 |
Модуль Юнга, ГПа |
Коэффициент Пуассона |
Прочность |
|
2,6 |
121 |
0,24 |
240 |
|
Термические расширение, 10-6/ |
Теплопроводность, Вт/мК |
Диэлектрическая проницаемость |
Тангенс угла диэлектрических потерь |
|
4,7 |
3,3 |
5,5 |
0,0005 |
Из табл. 2 видно, что композиционный материал «Pyroceram 9606» сочетает в себе более низкие значения тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости в сравнении с материалами аналогами (tgδ = 0,002 и ε = 7,6 для материала «IRBAS», используемого в ракетных системах «РАС-3» [9]).
Композиционные материалы на основе клеевых препегов
Стекло- и углепластики – это композиционные материалы на основе клеевых препрегов [10], при изготовлении которых в качестве клеевого связующего используют полимерную основу высокопрочного пленочного клея. При изготовлении препрега полученным клеевым связующим пропитывают стекло- или угленаполнитель, получая вещество с клеящими свойствами. На основе этой разработки были созданы клеевые препреги на угленаполнителях (КМКУ) и на стеклонаполнителях (КМКС), отвечающие высоким прочностным, деформационным и температурным требованиям. При использовании композиционного материала на основе клеевых препрегов можно сократить время на производство конструкции сложной формы в два или три раза за счет снижения количества технологических операций, помимо этого можно достичь снижения количества оснастки и трудоемкости изготовления в 1,5-2 раза [11]. К тому же, применение данных клеевых препрегов позволяет сократить трудоемкость технологии изготовления обтекателя из этого композиционного материала за счет исключения ряда технологических этапов при производстве [12]. Что важнее, полученные стеклопластики на основе клеевых препрегов удовлетворяет высоким требованиям по диэлектрической проницаемости, тангенсу угла диэлектрических потерь и диапазону рабочих температур, необходимых для материала обтекателя [13]. Характеристики некоторых стеклопластиков представлены в табл. 3.
Сравнивая характеристики стеклопластиков (табл. 3) с характеристиками стеклокерамического материала «Pyroceram 9606» (табл. 2), можно обнаружить, что при больших значениях тангенса угла диэлектрических потерь (в среднем в 2-3 раза) стеклопластики выигрывают по значениям диэлектрической проницаемости и имеют меньшую плотность, чем стеклокерамика [15]. Таким образом, стеклопластики следует использовать при необходимости достижения меньшей массы обтекателя при немного больших диэлектрических потерях, а стеклокерамику при необходимости изготовления носового обтекателя, подвергающегося большим перепадам температур за короткий промежуток времени, возникающих при достижении больших чисел Маха (на рис. 2 представлена зависимость температуры стенки обтекателя ракеты от числа Маха и высоты полета), и поглощающего меньше энергии, излучаемой радиолокационным оборудованием.
Таблица 3
Характеристики стеклопластиков [13, 14]
|
Показатель |
Марка клеевого препрега |
|||
|
КМКС-2.120.Т10 / КМКС-2.120.Т15 |
КМКС-2 м.120.Т10 / КМКС-2 м.120.Т15 / КМКС-2 м.120.Т60 / КМКС 2 м.120.Т64 |
КМКС-4.175.Т10 / КМКС-4.175.Т15 |
КМКС-4 м.175.Т64 / КМКС-4 к.175.ТС8/3 |
|
|
Диапазон рабочих температур, |
-130…+120 |
-60…+120 |
-60…175 |
-60…+175 |
|
Диэлектрическая проницаемость при 106 Гц |
4,21 / 3,92 |
4,76 / 4,19 / 4,46 / 4,82 |
4,2/3,7 |
4,82 / 3,6 |
|
Тангенс угла диэлектрических потерь при 106 Гц |
0,013 / 0,017 |
0,015 / 0,017 / 0,024 / 0,027 |
0,015/0,014 |
0,027 / 0,008…0,013 |
|
Плотность, г/см3 |
1,83 / 1,49 |
1,8…1,9 / 1,5…1,6 / 1,7…1,8 / 1,74…1,84 |
1,8…1,9 / 1,5 |
1,65 / 1,62 |
Рис. 2. Зависимость температуры на стенке обтекателя
ракеты от высоты и скорости полета
Из рис. 2 видно, что температура на поверхности обтекателя резко возрастает даже при небольшом увеличении числа Маха. Логично, что из стеклокерамических композиционных материалов, имеющих большую теплостойкость, изготавливают носовые обтекатели ракет класса «земля-воздух» и «воздух-воздух», а стеклопластики применяются при изготовлении обтекателей самолетов, например, в опытно-конструкторском бюро имени П.О. Сухого и в Российской самолетостроительной компании «МиГ».
Заключение
На основе анализа методов изготовления и по результатам экспериментального сравнения прочностных и весовых характеристик, а также характеристик теплостойкости и радиопрозрачности нескольких различных по своей структуре и способу изготовления композиционных материалов была предложена область применения для этих материалов при изготовлении радиопрозрачных носовых обтекателей летательных аппаратов. Установлено, что при высокой устойчивости к резким перепадам температур для изготовления ракетных носовых обтекателей лучше выбрать стеклокерамический композиционный материал, способный сохранять свои характеристики в условиях термоудара и при сверхзвуковых скоростях, а менее плотный стеклопластик, имеющий меньший диапазон рабочих температур, следует применять при изготовлении обтекателей самолетов с дозвуковыми скоростями полета, обтекатели которых не подвергаются столь высоким нагрузкам.
1. Klimov, V. N. Sovremennye aviacionnye konstrukcionnye splavy : ucheb. posobie / V. N. Klimov, D. M. Kozlov. - Samara : Samar. nac. issled. un-t im. S. P. Koroleva, 2017. - 40 s. - ISBN 978-5-7883-1135-7.
2. Savin, S. P. Primenenie sovremennyh polimernyh kompozicionnyh materialov v konstrukcii planera samoletov semeystva MS-21 / S. P. Savin // Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra RAN. - 2012. - № 4-2. - S. 686-693. - Bibliogr.: s. 693 (1 nazv.).
3. Bondaletova, L. I. Polimernye kompozicionnye materialy : ucheb. posobie / L. I. Bondaletova, V. G. Bondaletov. - Tomsk : TPU, 2013. - 118 s. - BBK 30.36:35.71ya73.
4. Spravochnik po kompozicionnym materialam: V 2-h kn. Kn. 1 / Pod red. Dzh. Lyubina; per. s angl. A. B. Gellera, M. M. Gel'monta. - Moskva : SShA, 1988. - 448 s. - ISBN 5-217-00225-5.
5. Himich, A. V. Konstruktivnoe ispolnenie golovnyh obtekateley: mat. vseross. nauch.-metodich. konf. «Universitetskiy kompleks kak regional'nyy centr obrazovaniya, nauki i kul'tury». - Orenburg: Orenburgskiy gos. un-tet, 2016. - S. 263-268.
6. Radioprozrachnye steklokeramicheskie materialy / N. E. Uvarova, Yu. E. Anan'eva, E. G. Bolokina [i dr.] // Uspehi v himii i himicheskoy tehnologii. - 2007. - № 7. - S. 96-99. - Bibliogr.: s. 99 (13 nazv.).
7. Tehnologicheskie aspekty sozdaniya radioprozrachnyh steklokristallicheskih materialov na osnove vysokotemperaturnyh alyumosilikatnyh sistem (obzor) / A. S. Chaynikova, M. L. Vaganova, N. E. Schegoleva, Yu. E. Lebedeva // Trudy VIAM. - 2015. - № 11. - S. 26-39. - Bibliogr.: 37-39 (51 nazv.).
8. Sovremennye dostizheniya v oblasti sozdaniya vysokotemperaturnyh radioprozrachnyh materialov / P. D. Sarkisov, D. V. Graschenkov, L. A. Orlova [i dr.] // Tehnika i tehnologiya silikatov. - 2009. - № 1. - S. 2-10. - Bibliogr.: s. 9-10 (45 nazv.).
9. Ivahnenko, Yu. A. Vysokotemperaturnye radioprozrachnye keramicheskie kompozicionnye materialy dlya obtekateley antenn i drugih izdeliy aviacionnoy tehniki (obzor) / Yu. A. Ivahnenko, N. M. Varrik, V. G. Maksimov // Trudy VIAM. - 2016. - № 5 (41). - S. 36-43. - Bibliogr.: s. 43 (21 nazv.).
10. Ispol'zovanie kleevyh svyazuyuschih dlya polucheniya polimernyh kompozicionnyh materialov / L. A. Dement'eva, K. E. Kucevich, N. F. Lukina, A. P. Petrova // Novosti materialovedeniya. Nauka i tehnika. - 2016. - № 2 (20). - S. 24-35. - Bibliogr.: s. 34-35 (15 nazv.).
11. Svoystva i naznachenie kompozicionnyh materialov na osnove kleevyh prepregov / L. A. Dement'eva, A. A. Serezhenkov, N. F. Lukina, K. E. Kucevich // Trudy VIAM. - 2014. - № 8. - S. 6-12. - Bibliogr.: s. 10-12 (15 nazv.).
12. Kleevye prepregi - perspektivnye materialy dlya detaley i agregatov iz PKM / K. E. Kucevich, L. A. Dement'eva, N. F. Lukina, T. Yu. Tyumeneva // Aviacionnye materialy i tehnologii. - 2017. - № 8. - S. 379-387. - Bibliogr.: s. 386-387 (21 nazv.).
13. Svoystva kompozicionnyh materialov na osnove kleevyh prepregov / L. A. Dement'eva, A. A. Serezhenkov, L. I. Bocharova [i dr.] // Klei. Germetiki. Tehnologii. - 2012. - № 6. - S. 19-24. - Bibliogr.: s. 24 (3 nazv.).
14. Kompozicionnye materialy kleevye na osnove steklyannyh i uglerodnyh napolniteley / L. A. Dement'eva, A. A. Serezhenkov, L. I. Bocharova [i dr.] // Klei. Germetiki. Tehnologii. - 2009. - № 1. - S. 24-27.
15. Rabotosposobnost' kleev i materialov na ih osnove v usloviyah, blizkih k pribrezhnym usloviyam Arktiki / A. P. Petrova, N. F. Lukina, I. A. Sharova [i dr.] // Novosti materialovedeniya. Nauka i tehnika. - 2016. - № 2 (20). - S. 3-16. - Bibliogr.: s. 14-16 (23 nazv.).
