Авиация и воздухоплавание на заре своего развития использовали преимущественно конструкции, оклеенные тканью. Затем в авиацию пришли и заняли почти монопольное положение металлы. Сейчас новые неметаллические материалы (арамидные ткани, в частности), быстро отыгрывают ведущие позиции в отрасли.
В первой половине XX века слово «перкаль» (хлопчатобумажная ткань повышенной прочности) почти всегда ассоциировалось с авиацией. Эта ткань применялась в авиационной промышленности как материал для изготовления обшивки крыльев, фюзеляжа, элементов оперения и иных поверхностей самолетов. За такое использование перкаль получил шуточное прозвище «детская пеленка авиации». Технология изготовления обшивки из перкаля использовалась в военной авиации вплоть до появления реактивной техники.
Высокие скорости, увеличенные нагрузки, большие размеры обусловили повсеместный переход военной и гражданской авиации на конструкции почти полностью металлические. Однако появление новых неметаллических материалов и повышение требований к прочности, пожаробезопасности, экономичности воздушных судов способствуют сегодня все более широкому использованию тканей и композитов на основе органо- стекло- и углепластиков.
При этом арамидные волокна и ткани заняли свою нишу в авиационных конструкциях, обеспечивая уникальные характеристики, недостижимые для других материалов. В связи с арамидными волокнами и тканями необходимо подчеркнуть, что российская продукция, изготавливаемая предприятиями ОАО «Каменскволокно», ЗАО «КШФ «Передовая текстильщица», по характеристикам относится к лучшим в мире. Рассмотрим их типовое применение в авиационной промышленности.
Конструкционные органопластики — органотекстолиты на основе тканей из арамидных волокон СВМ и Русар и различных полимерных связующих. Отличительными особенностями органотекстолитов, как конструкционных материалов являются: низкая плотность (это самые легкие конструкционные материалы), высокая выносливость при динамическом нагружении, высокие демпфирующие характеристики, устойчивость к ударным и эрозионным воздействиям. Органотекстолиты сохраняют прочность и ресурс после значительных эрозионных и механических повреждений.
Это особенно важно при использовании органотекстолитов в вертолетостроении. В качестве примера можно привести применение органопластика в конструкции лопасти несущего винта российского ударного вертолета Ми‑28Н «Ночной охотник». Из органопластика изготовлены обшивки хвостовых секций лопасти. Обшивки толщиной 0,45 мм обеспечивают необходимые весовые и ресурсные характеристики лопасти.
Благодаря особенностям механических свойств органопластики в авиационной технике решают проблему создания легких обшивок, стойких к динамическим нагрузкам, вибрациям, ударным и эрозионным воздействиям (обшивки элеронов, зализов, закрылков и др.). В частности, лопасти вертолета Ми‑28 Н сохраняют работоспособность при попадании 30‑мм снарядов.
Основным недостатком конструкционных органопластиков считается повышенное водопоглощение. Работы последних лет были направлены на то, чтобы сделать органопластики более устойчивыми к поглощению влаги. С этой целью были разработаны органопластики второго поколения на основе арамидного волокна Русар, которое появилось в России в конце 1990‑х годов. Использование волокна Русар взамен СВМ, а также оптимизация состава и технологии конструкционных органопластиков, позволили в 2 раза снизить их водопоглощение (до уровня не более 2%). Органопластики второго поколения на основе волокна Русар имеют повышенные на 10–30% механические и эксплуатационные характеристики. Материалы надежны в теплом влажном климате. Уровень сохранения их свойств после влагонасыщения составляет не менее 80%.
Ударо- и баллистически стойкие органопластики. Для авиационных двигателей органопластики решают важнейшую проблему обеспечения непробиваемости корпуса вентилятора при разрушении лопатки в случае попадания в двигатель птиц или каких-то посторонних предметов. Еще с 1980‑х годов с этой целью органопластик использован в конструкциях авиационных двигателей Д‑18, ПС‑90, АИ‑222 и др.
Для корпуса вентилятора нового двигателя ПД‑14 (предназначен для перспективных пассажирских самолетов МС‑21–200/300/400) потребовался новый материал. В соответствии с весьма жесткими требованиями норм АП‑23 корпус вентилятора двигателя должен удерживать лопатку вентилятора в случае ее разрушения в корневом сечении. При этом вторичные эффекты при разрушении лопатки (разрушение других лопаток, увеличение дисбаланса ротора, местное повышение температуры) не должны приводить к таким опасным последствиям, как возникновение нелокализованного пожара, разлет опасных фрагментов за пределы корпуса двигателя.
Специалистами ВИАМ был разработан баллистически стойкий арамидный слоисто-тканый материал, который отличается тем, что слои ткани в нем соединены локальными участками. Это позволяет снизить вес изделия и повысить реализацию баллистической стойкости ткани до 97%. Для арамидного слоисто-тканого материала разработана специальная система защиты от влаги, которая включает использование пленочного герметика по поверхности детали.
При выборе армирующего наполнителя для арамидного слоисто-тканого материала для удерживающего устройства корпуса вентилятора наряду с баллистической стойкостью важным требованием является коррозионная безопасность арамидной ткани по отношению к металлам. Коррозионная безопасность является одной из главных характеристик авиационных материалов. Коррозионно-опасными (коррозионно-активными) являются материалы, способные выделять во внешнюю среду кислые или щелочные продукты, вызывающие коррозию. Коррозионную активность оценивают по кислотности материала. Разработанные предприятием ЗАО «КШФ «Передовая текстильщица» баллистические ткани из нейтральных арамидных нитей удовлетворяют этим требованиям.
Органопластики с более высокой баллистической стойкостью востребованы не только для двигателей, но и для планера самолета. По новым авиационным правилам на пассажирских самолетах перегородка кабины экипажа должна защищать экипаж от пуль и осколков взрывных устройств при возникновении нештатной ситуации. При разработке новых баллистически стойких органопластиков принимали во внимание тот известный факт, что баллистическая стойкость арамидных тканей резко снижается, если ткань пропитать связующим. Поэтому новые баллистически стойкие материалы имеют «частично немонолитную» структуру. Полимерная матрица в них располагается между слоями ткани, между нитями, не заполняя межволоконное пространство. Благодаря этому степень реализации баллистической стойкости ткани в пластике составляет 90% (вместо 30%, как в типовом органопластике).
Например, органопластик с «частично немонолитной» структурой применен в конструкции перегородки кабины экипажа самолета «Сухой Супер Джет — 100». При весе одного квадратного метра всего 5,5 кг отечественный органопластик защищает от пуль легкого ручного оружия и осколков взрывных устройств в полном соответствии с требованием авиационных правил.
В военной сфере баллистические арамидные ткани широко применяют в системах защиты армейской и штурмовой авиации. В частности, во второй половине 1970‑х годов удалось за счет изготовления тыльного слоя композитной брони из органотекстолита на основе арамидного волокна кевлар дополнительно снизить массу комбинированной брони на 10–12 процентов. В частности, композитная броня такого типа (сталь + керамика на основе карбида бора + органотекстолит на основе кевлара) была использована в конструкции бронезащиты кабины американского вертолета AH‑64 «Апач». Известно, что органопластики использованы также в конструкции российского боевого вертолета Ка‑52.
Представляется необходимым разработать для боевых и транспортно-боевых вертолетов, а также штурмовиков противоосколочные панели и маты (в том числе легосъемные, сменные), поскольку именно эти типы летательных аппаратов действуют непосредственно над полем боя, в зоне интенсивного огня стрелкового оружия, малокалиберной зенитной артиллерии и переносных зенитных ракетных комплексов. Такими панелями на основе арамидных тканей целесообразно защищать не только экипаж и десант, но жизненно важные узлы летательных аппаратов.
Антифрикционные органопластики. Проблема, которую решают антифрикционные органопластики в авиационной технике — это создание тихоходных подшипников скольжения, работающих без смазки, т. е. в условиях сухого трения. Антифрикционные органопластики — это тонкослойные покрытия армированные тканью. Ткань помимо высокопрочных волокон содержит политетрафторэтиленовые волокна, которые выходят на поверхность и обеспечивают низкий коэффициент трения.
Антифрикционные органопластики обладают высокой стабильностью при эксплуатации: коэффициент трения не зависит от времени работы, вплоть до полного износа покрытия. Органопластики не вызывают износа контртела, не боятся запыленности.
Антифрикционные органопластики широко применяются в конструкциях самолетов и вертолетов для изготовления шарниров и приводов различного назначения. Применение антифрикционных органопластиков позволяет сократить количество деталей в подшипнике в 10 раз, уменьшить время и затраты на их техническое обслуживание.
Звукопоглощающие органопластики для снижения шума самолетов на местности. Современные звукопоглощающие конструкции, чтобы гасить шум в широком диапазоне частот должны иметь сложную многоуровневую структуру. Для таких конструкций разработаны воздухопроницаемые тонкослойные высокопрочные органопластики. Материалы можно использовать в составе звукопоглощающих конструкций в качестве внутренних воздухопроницаемых слоев, располагаемых между слоями сотового заполнителя, а также изготавливать из них легкие объемные заполнители различной конфигурации (складчатые, гофрированные, ячеистые и др.) для замены сот. Использование воздухопроницаемых органопластиков для изготовления многослойных звукопоглощающих конструкций позволяет повысить их эффективность и расширить, по крайней мере, в 2 раза частотный диапазон звукопоглощения.
Пожаробезопасные текстильные материалы. Согласно исследованию российского ученого Константина Кирина, в настоящее время в конструкции воздушных судов широко применяются различные полимерные материалы. При возникновении пожара они легко воспламеняются и выделяют большое количество тепла и дыма, что является основной причиной гибели людей. Величина пожароопасной нагрузки пассажирской кабины, представляемая полимерными материалами, эквивалентна порядка 3750 кг авиационного топлива, находящегося среди людей в пассажирском салоне!
На основании анализа статистики летных происшествий на воздушном транспорте по тяжести последствий можно выделить три основные группы: «не выживаемые», «выживаемые» и «технически выживаемые» (до 90%) происшествия. В «технически выживаемых» происшествиях до 40% людей погибают вследствие отравления токсичными продуктами горения материалов внутренней отделки пассажирского салона, термических травм и проблем при эвакуации.
Значительное количество горючих полимерных декоративно-отделочных материалов в конструкции современного воздушного судна определяющих его пожаробезопасность, и тенденция к возрастанию их доли при использовании в качестве конструкционного материала говорит о необходимости применения термически стабильных материалов.
Для повышения пожаробезопасности воздушного транспорта необходимо применять термически стабильные материалы (как материала основы, так и связующего для композитов), имеющих величину тепловыделения близкую к нулевой, как например, у таких материалов российского производства, как параарамидного, пара-метаарамидного и полиимидного полимерных волокон.
Применение пожаробезопасных материалов в интерьере пассажирской кабины воздушного судна позволит увеличить время «безопасной» эвакуации людей с 2–4 минут в настоящее время, до 10 минут.
Таким образом, существенное увеличение масштабов применения арамидных волокон и тканей в авиации позволяет заметно поднять боевые и эксплатационные качества военной авиации, повысить экономичность и безопасность эксплуатации гражданских воздушных судов.
Виктор Мураховский
