Композитные крылья мс 21. Почему вакуумная инфузия? Но с тех пор многое изменилось

10 марта 2015 года ЗАО «АэроКомпозит» объявило о создании на базе Опытной лаборатории технологий и конструкций из ПКМ новой испытательной лаборатории для проведения комплекса работ по прочностным и климатическим испытаниям конструктивно-подобных образцов из полимерных композиционных материалов. Кроме этой московской площадки, где с 2011 года проводились исследования композиционных материалов, и отрабатывалась технология изготовления изделий, в 2013-14 годах «Объединённая авиастроительная корпорация» открыла два новых производства: «КАПО-Композит» в столице Татарстана Казани (специализация завода - производство агрегатов механизации крыла и оперения, а также элементов носовой и хвостовой части крыла воздушного судна, изготовленных по автоклавной технологии) и «АэроКомпозит-Ульяновск» - завод по выпуску элементов конструкции воздушных судов из композиционных материалов на основе инфузионной технологии.

«С запуском новой лаборатории мы можем самостоятельно осуществлять испытания изготавливаемой нами продукции на ее различных этапах производства. Это большой плюс, так как появилась независимость от сторонних организаций. Для решения новых задач, стоящих перед компанией, использования на производстве новых материалов отечественного производства, мы планируем существенное дооснащение испытательной лаборатории в течение года», - отметил генеральный директор ЗАО «АэроКомпозит» Анатолий Гайданский.

Генеральный директор ЗАО «АэроКомпозит» Анатолий Гайданский

«Создание лаборатории на первом этапе было обусловлено необходимостью исследования полимерных композиционных материалов и отработкой технологии изготовления, на основе этих материалов, образцов, опытных образцов, а также составление технологической документации и применение полученных результатов на производственных площадках - завод в Казани и завод в Ульяновске. Мы создали лабораторию, которая помогает в запуске проекта “МС-21” и проверке заложенных конструктивных и технологических параметров. Все оборудование, которое было приобретено, изначально предполагало возможность смоделировать все эти технологии, отработать основные направления в работе и изготовить опытные образцы по технологиям», рассказывает начальник Опытной лаборатории технологий и конструкций из ПКМ ЗАО “АэроКомпозит” Алексей Слободинский.

На данном же этапе несколько изменилась и ориентация лаборатории в Москве. Во главу угла встали направления испытательного характера - входной контроль материалов с проведением механических испытаний, испытаний по химии, работа с образцами-спутниками, которые требуются для подтверждения качества самих агрегатов. Поэтому была проведена соответствующая работа по подготовке лаборатории. Прежде всего, по аккредитации этой лаборатории и возможности выполнения всех этих работ в интересах заводов. Такая аккредитация была проведена и в декабре 2014г. испытательная лаборатория получила аттестат аккредитации Авиарегистр МАК, который позволяет выполнять все эти работы.

Начальник опытной лаборатории технологий и конструкций из полимерных композиционных материалов ЗАО “АэроКомпозит”, генеральный директор ЗАО «КАПО-Композит» Алексей Слободинский

Итак, в качестве основного направления была выбрана инфузионная технология. Как я уже упомянул, для России эта технология новая и неизведанная. И, несмотря на то, что в мире она существовала и ранее, ещё никто не использовал её в промышленных масштабах, а тем более для изготовления крупных авиационных конструкций. Эта технология подразумевает использование сухих материалов, как правило, «угольных» и отдельно связующего вещества (смолы). Технология предполагает 2 этапа. На первом этапе изготавливается, так называемая, “преформа” - сухие материалы укладываются на оснастку, формируется герметичный «мешок», из которого откачивается воздух, после чего происходит формование в термопечи. По специально разработанному в лаборатории графику, с определенной скоростью и по определенным параметрам происходит нагрев, выдержка и охлаждение. А на втором этапе собирается уже «боевой мешок» с этой прессованной и сформированной деталью и производится её пропитка смолой за счет вакуума - изделие помещается в специальную печь и «запекается» при температуре. При этом из вакуумного мешка откачивается воздух и одновременно, за счет разряжения происходит равномерное пропитывание смолой.

Это и есть, так называемая, “инфузионная технология”, которую здесь отрабатывают на различных элементах, начиная от самых тоненьких панелей в 3-4-5 слоев и до полномасштабных изделий. «Мы пытались понять, какую толщину панели можем сделать, чтобы она отвечала всем прочностным требованиям. В итоге мы получили панели со стабильными характеристиками от 2 до 25 мм, которые, по расчетным данным, соответствуют всем нормативам», говорит Алексей Слободинский. Помимо изготовления самих панелей и образцов, как таковых, здесь отрабатывают все элементы, которые входят в производственный цикл. Начиная от входного контроля материалов, раскроя материалов с использованием лазерной техники, выкладки преформы, сборки «боевого мешка» и проведение самого цикла инфузии, с использованием термо-инфузионного комплекса.

Материалы на основе углеволокна приходят в рулонах, которые мало чем отличаются от обычной ткани. Здесь установлены лазерные проекторы, которые подсвечивают контуры модели и профессиональные закройщицы раскраивают материал по лазерным лекалам. Далее вручную производится выкладка преформы.

Многие вопросы изначально были очень сложны, так как не было ни практики, ни учебников, и все приходилось делать «с листа». Иностранцы тоже не спешили делиться своими секретами. Например, долго не могли сделать выкладку ткани, чтобы слои материала не рассыпались в разные стороны. В технологии с препрегом, когда волокна материала уже пропитаны связующим веществом, таких проблем нет. В данном же случае материал сухой. «Оказалось, что есть технология глажения утюгом, - рассказывает Слободинский, - мы это увидели на фотографиях, иллюстрирующих публикации в западной прессе по данной теме. Постепенно вышли на нужную технологию выкладки материала, используя утюги с регулируемой температурой нагрева.

Казалось бы, зачем такие сложности, когда есть уже проверенная и подтвержденная технология. Но есть один немаловажный нюанс, влияющий на качество изделия - срок годности материала. Дело в том, что препрег, использующийся при автоклавной технологии, имеет ограниченный срок годности от 9 до 12 месяцев, а сухие материалы имеют значительно больший период хранения. К тому же, сухие материалы хранятся при комнатной температуре, в отличие от препрега, который необходимо хранить в морозильной камере при температуре не ниже минус 18 градусов. И каждый вынос этого материала, размораживание, которое происходит в течение суток, уменьшает срок его годности. Его привозят в морозильных рефрижераторах, сразу ставят в морозильные камеры, соответственно идет учет “времени жизни” этого материала. Это достаточно непростая задача, которая требует жесткого контроля, вплоть до поминутного учета времени до окончания срока использования данного материала. Все это значительно усложняет использование данных материалов и повышает риски получения некондиционного изделия. С инфузионной же технологией ничего этого не требуется. Материалы хранятся без всяких температурных требований просто на складе. А связующее вещество хранится отдельно в морозильной камере в течение 12-14 месяцев.

К тому же, на серийном производстве в «АэроКомпозит-Ульяновск» никакого глажения утюгами нет. Там выкладкой преформы занимается специальный робот, который по определенному алгоритму выкладывает будущие панели крыла из тонких лент, одновременно «припаивая» их к предыдущему слою (см. фото). В результате получается цельное изделие без единого шва и заклепки. Лабораторные испытания и исследования послужили подтверждением правильности выбора инфузионной технологии. В Европе до сих пор не пришли к такому решению, чтобы консоль крыла делать композиционной по этой технологии. В данном случае Ульяновск - первый завод в мире, где применяется инфузионная технология для изготовления силовых конструкций крыла самолета.

Преимущества этой технологии показали и испытания. В итоге, как минимум не проиграли в прочностных характеристиках, а если говорить об экономических и технических показателях, то инфузионная технология дешевле, в том числе и с точки зрения энергоемкости. Автоклав - устройство достаточно сложное, которое требует дополнительного обеспечения безопасности, поскольку там используются высокое давление и высокая температура.

Выкладка нижней панели будущего крыла самолета МС-21 на заводе «АэроКомпозит-Ульяновск»

В отличие от небольшого термокомплекса на московской площадке, в Ульяновске установлена уникальная 22-х метровая печь, в которую целиком входит панель или лонжерон крыла, с допустимым температурным градиентом по всей длине печи не более 2-х градусов. Совместно с ними «поджариваются» и изделия-спутники - специальная небольшая модель, которая проходит все этапы изготовления параллельно с основным изделием. Спутник предназначен для того, чтобы провести все испытания по контролю качества на этом образце, не повреждая основное изделие. Так как Спутник изготавливается вкупе с самой деталью, в аналогичных условиях и при аналогичных параметрах, он является аналогом этой детали. Затем из панелей-спутников вырезаются образцы и проводится целый курс испытаний. Испытания на разрыв, испытания на сжатие, испытания на сдвиг.

Анатолий Гайданский в термопечи после завершения процесса инфузии панели-спутника на заводе «АэроКомпозит-Ульяновск»

Но почему же испытательная лаборатория была создана не в Ульяновске, ближе к производству, а в Москве? Дело в том, что лабораторию создавали поближе к тем, кто занимается разработкой, чтобы конструкторы и технологи могли получить ответы на свои вопросы в кратчайшие сроки, которые их интересуют. Так оно и происходит! Прочнисты, например, находятся в постоянном взаимодействии со специалистами испытательной лаборатории - они закладывают данные и хотят получить результат. То есть, уже через сутки можно получить результат. Это значительно ускорило темпы разработки и освоения технологии. «Даже иностранцы, с которыми мы совместно работали, прежде всего, поставщики материалов, были поражены нашим темпом движения», - рассказывает Слободинский.

В лаборатории работают 23 человека. Большинство (20 чел) - это люди с высшим образованием, закончившие МАИ, МАТИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана. Это основные наши специалисты. Мало того, требования, которые предъявляет АРМАК по аккредитации лаборатории, подразумевают специальную квалификацию специалистов. Все сотрудники прошли курс подготовки и получили сертификаты на право проведения тех или иных испытаний. Проверка АРМАК показала высокий уровень знаний, умений, практических навыков.

Оборудование испытательной лаборатории состоит из различных испытательных стендов и дополнительного сопроводительного оборудования: 1.Испытательные стенды (нагрузка 25 и 60 тонн). На них проводятся испытания по разным стандартам - на сдвиг, растяжение, разрыв и др. 2.Копёр - машина для испытания на удар. 3.Климатическая камера - используется для создания длительного воздействия окружающей среды (температура, влажность) на образцы перед испытанием. 4.Испытательный стенд (нагрузка 25 тонн) имеет возможность создавать условия климатического воздействия (температура, влажность) во время испытания. 5.Приборы для проведения ультразвукового контроля с различными диапазонами измерения. Инвестиции в проект составили около 30 млн. рублей. Оборудование стоит самое современное, которое используется и в Европе.

"Все стандарты, которые мы выдерживаем, как европейского плана, например, по проекту Sukhoi SuperJet 100, так и требования российских стандартов, заложенных в проекте МС-21, выполняются. Методики отработаны, работа с оборудованием отработана и идет полномасштабная испытательная работа лаборатории", - говорит Алексей Слободинский.

Лаборатория также занимается и вопросами разработки методик ремонта агрегатов из композиционных материалов, в том числе и в полевых условиях. Для выполнения ремонта в полевых условиях имеется универсальный мобильный комплекс, который не требует больших энергетических затрат. Это одновременно и устройство ультразвукового неразрушающего контроля, и мобильная печь для локального ремонта, в том числе и без демонтажа агрегата. В будущем, а такие работы уже ведутся, в крыло самолета будут вмонтированы оптоволоконные датчики, которые в режиме реального времени будут фиксировать все нештатные ситуации и контролировать состояние конструкции.

Универсальный мобильный комплекс для диагностики и проведения полевого ремонта композиционных материалов

Одно из направлений исследований - обработка изделий на 5-ти координатных фрезерных центрах, чтобы понять возможные режимы резания, подобрать оптимальный инструмент для резания, поскольку это не привычный металл, а композит, требующий особых условий обработки. От правильно подобранного режима будет зависеть и качество полученного изделия.

После отработки все эти технологии передаются на заводы в Казань и Ульяновск. Прежде всего, в Ульяновск, поскольку инфузионные технологии там используются для сборки консоли крыла и центроплана МС-21. В Казани также, наряду с использованием традиционной автоклавной технологии для изготовления агрегатов и панелей, используют и инфузионную технологию для изготовления своих композиционных оснасток. Только оно происходит, в отличие от деталей, производимых в Ульяновске, при комнатной температуре, а не в печи. Хотя температура тоже несколько повышена. На «КАПО-Композит» работы идут в двух направлениях: МС-21 и Sukhoi SuperJet 100. Для МС-21 Казань готовит всю механизацию: носовая, хвостовая часть крыла, лобовики носовые, малые агрегаты, элероны, закрылки, законцовки крыла, рули высоты и рули направления.

Задний лонжерон, изготовленный на заводе «АэроКомпозит-Ульяновск», который будет установлен на первый экземпляр самолета МС-21

«МС-21 это первый самолет в нашей гражданской авиации с широким использованием композиционных материалов. Применение этих материалов создает значительные преимущества по сравнению с алюминием в первую очередь в области аэродинамики. Применение композитного крыла дает значительный эффект в улучшении топливной эффективности за счет более совершенной геометрии крыла и уменьшения аэродинамического сопротивления. Ну и улучшение весовых характеристик. Сборка крыла и центроплана уже начата. В течение лета этого года мы их сдадим на «Иркут» для сборки первого самолета, который планируется выкатить в конце 2015 года (в августе планируется специальная программа и презентация стыковки крыла в рамках авиасалона МАКС-2015). Все наши заводы построены с нуля. Это совершенно уникальные технологии, которые разработаны нашей компанией», - говорит генеральный директор ЗАО «АэроКомпозит» Анатолий Гайданский.

Сборка центроплана первого самолета МС-21 на «АэроКомпозит-Ульяновск» (верхняя и нижняя панели изготовлены из композиционных материалов

Крыло самолета МС-21 состоит из 9 тысяч деталей. В настоящее время в Ульяновске устанавливается уникальная линия по сборке крыла, которое будет выходить с завода с полностью установленной механизацией и всей необходимой «начинкой». Вообще говоря, работников «АэроКомпозит-Ульяновск» для такого большого завода совсем не много. Секрет в том, что это царство робототехники. На большинстве постов работники являются операторами и контролерами. Несомненно, без ручного труда не обойтись, но это, в основном, работы по установке, снятию или транспортировке изделий, да и то чаще всего с помощью специальных приспособлений. Основные же, самые ответственные операции, выполняют роботы.

Стенд линии сборки, на котором будет производиться окончательная стыковка панелей крыла самолета МС-21

Ничего подобного в нашем авиапроме до сих пор не было. Скажу честно, ничего подобного я не видел и на Боинге с Эйрбасом. Да и находясь на заводе, где все сотрудники в белых халатах и бахилах, специальные требования к качеству воздуха и в напольном покрытии видишь свое отражение, не верится, что все это в России. Впервые в новейшей истории мы не пытаемся тиражировать старые отработанные технологии, и не пытаемся слепо скопировать зарубежный опыт, а выступаем новаторами и хотим оказаться в технологическом авангарде мирового гражданского авиастроения.

Как мы знаем, время выкатки первого экземпляра самолета МС-21, с которым связаны все наши надежды на возрождение российского авиапрома, неумолимо приближается. И наиболее интересным и революционным (для России) в конструкции планера этого самолета является использование так называемого «черного крыла». Несмотря на то, что ведущие западные производители уже решили эту задачу, технология, которую будут использовать в России, существенно отличается от освоенной конкурентами. Чтобы разобраться в особенностях технологического процесса и понять, каковы наши шансы на успех, мы и побывали на 2-х площадках компании «АэроКомпозит» в Москве и Ульяновске.

10 марта 2015 года ЗАО «АэроКомпозит» объявило о создании на базе Опытной лаборатории технологий и конструкций из ПКМ новой испытательной лаборатории для проведения комплекса работ по прочностным и климатическим испытаниям конструктивно-подобных образцов из полимерных композиционных материалов. Кроме этой московской площадки, где с 2011 года проводились исследования композиционных материалов, и отрабатывалась технология изготовления изделий, в 2013-14 годах «Объединённая авиастроительная корпорация» открыла два новых производства: «КАПО-Композит» в столице Татарстана Казани (специализация завода - производство агрегатов механизации крыла и оперения, а также элементов носовой и хвостовой части крыла воздушного судна, изготовленных по автоклавной технологии) и «АэроКомпозит-Ульяновск» - завод по выпуску элементов конструкции воздушных судов из композиционных материалов на основе инфузионной технологии.

Генеральный директор ЗАО «АэроКомпозит» Анатолий Гайданский

«Создание лаборатории на первом этапе было обусловлено необходимостью исследования полимерных композиционных материалов и отработкой технологии изготовления, на основе этих материалов, образцов, опытных образцов, а также составление технологической документации и применение полученных результатов на производственных площадках – завод в Казани и завод в Ульяновске. Мы создали лабораторию, которая помогает в запуске проекта “МС-21” и проверке заложенных конструктивных и технологических параметров. Все оборудование, которое было приобретено, изначально предполагало возможность смоделировать все эти технологии, отработать основные направления в работе и изготовить опытные образцы по технологиям», рассказывает начальник Опытной лаборатории технологий и конструкций из ПКМ ЗАО “АэроКомпозит” Алексей Слободинский.

Начальник опытной лаборатории технологий и конструкций из полимерных композиционных материалов ЗАО “АэроКомпозит”, генеральный директор ЗАО «КАПО-Композит» Алексей Слободинский

Итак, в качестве основного направления была выбрана инфузионная технология. Как я уже упомянул, для России эта технология новая и неизведанная. И, несмотря на то, что в мире она существовала и ранее, ещё никто не использовал её в промышленных масштабах, а тем более для изготовления крупных авиационных конструкций. Эта технология подразумевает использование сухих материалов, как правило, «угольных» и отдельно связующего вещества (смолы). Технология предполагает 2 этапа. На первом этапе изготавливается, так называемая, “преформа” - сухие материалы укладываются на оснастку, формируется герметичный «мешок», из которого откачивается воздух, после чего происходит формование в термопечи. По специально разработанному в лаборатории графику, с определенной скоростью и по определенным параметрам происходит нагрев, выдержка и охлаждение. А на втором этапе собирается уже «боевой мешок» с этой прессованной и сформированной деталью и производится её пропитка смолой за счет вакуума – изделие помещается в специальную печь и «запекается» при температуре. При этом из вакуумного мешка откачивается воздух и одновременно, за счет разряжения происходит равномерное пропитывание смолой.

К тому же, на серийном производстве в «АэроКомпозит-Ульяновск» никакого глажения утюгами нет. Там выкладкой преформы занимается специальный робот, который по определенному алгоритму выкладывает будущие панели крыла из тонких лент, одновременно «припаивая» их к предыдущему слою (см. фото). В результате получается цельное изделие без единого шва и заклепки. Лабораторные испытания и исследования послужили подтверждением правильности выбора инфузионной технологии. В Европе до сих пор не пришли к такому решению, чтобы консоль крыла делать композиционной по этой технологии. В данном случае Ульяновск – первый завод в мире, где применяется инфузионная технология для изготовления силовых конструкций крыла самолета.

Преимущества этой технологии показали и испытания. В итоге, как минимум не проиграли в прочностных характеристиках, а если говорить об экономических и технических показателях, то инфузионная технология дешевле, в том числе и с точки зрения энергоемкости. Автоклав – устройство достаточно сложное, которое требует дополнительного обеспечения безопасности, поскольку там используются высокое давление и высокая температура.

Выкладка нижней панели будущего крыла самолета МС-21 на заводе «АэроКомпозит-Ульяновск»

В отличие от небольшого термокомплекса на московской площадке, в Ульяновске установлена уникальная 22-х метровая печь, в которую целиком входит панель или лонжерон крыла, с допустимым температурным градиентом по всей длине печи не более 2-х градусов. Совместно с ними «поджариваются» и изделия-спутники – специальная небольшая модель, которая проходит все этапы изготовления параллельно с основным изделием. Спутник предназначен для того, чтобы провести все испытания по контролю качества на этом образце, не повреждая основное изделие. Так как Спутник изготавливается вкупе с самой деталью, в аналогичных условиях и при аналогичных параметрах, он является аналогом этой детали. Затем из панелей-спутников вырезаются образцы и проводится целый курс испытаний. Испытания на разрыв, испытания на сжатие, испытания на сдвиг.

Анатолий Гайданский в термопечи после завершения процесса инфузии панели-спутника на заводе «АэроКомпозит-Ульяновск»

Но почему же испытательная лаборатория была создана не в Ульяновске, ближе к производству, а в Москве? Дело в том, что лабораторию создавали поближе к тем, кто занимается разработкой, чтобы конструкторы и технологи могли получить ответы на свои вопросы в кратчайшие сроки, которые их интересуют. Так оно и происходит! Прочнисты, например, находятся в постоянном взаимодействии со специалистами испытательной лаборатории – они закладывают данные и хотят получить результат. То есть, уже через сутки можно получить результат. Это значительно ускорило темпы разработки и освоения технологии. «Даже иностранцы, с которыми мы совместно работали, прежде всего, поставщики материалов, были поражены нашим темпом движения», - рассказывает Слободинский.

В лаборатории работают 23 человека. Большинство (20 чел) – это люди с высшим образованием, закончившие МАИ, МАТИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана. Это основные наши специалисты. Мало того, требования, которые предъявляет АРМАК по аккредитации лаборатории, подразумевают специальную квалификацию специалистов. Все сотрудники прошли курс подготовки и получили сертификаты на право проведения тех или иных испытаний. Проверка АРМАК показала высокий уровень знаний, умений, практических навыков.

Оборудование испытательной лаборатории состоит из различных испытательных стендов и дополнительного сопроводительного оборудования: 1.Испытательные стенды (нагрузка 25 и 60 тонн). На них проводятся испытания по разным стандартам - на сдвиг, растяжение, разрыв и др. 2.Копёр – машина для испытания на удар. 3.Климатическая камера – используется для создания длительного воздействия окружающей среды (температура, влажность) на образцы перед испытанием. 4.Испытательный стенд (нагрузка 25 тонн) имеет возможность создавать условия климатического воздействия (температура, влажность) во время испытания. 5.Приборы для проведения ультразвукового контроля с различными диапазонами измерения. Инвестиции в проект составили около 30 млн. рублей. Оборудование стоит самое современное, которое используется и в Европе.

"Все стандарты, которые мы выдерживаем, как европейского плана, например, по проекту Sukhoi SuperJet 100, так и требования российских стандартов, заложенных в проекте МС-21, выполняются. Методики отработаны, работа с оборудованием отработана и идет полномасштабная испытательная работа лаборатории". говорит Алексей Слободинский.

Универсальный мобильный комплекс для диагностики и проведения полевого ремонта композиционных материалов

Задний лонжерон, изготовленный на заводе «АэроКомпозит-Ульяновск», который будет установлен на первый экземпляр самолета МС-21

Сборка центроплана первого самолета МС-21 на «АэроКомпозит-Ульяновск» (верхняя и нижняя панели изготовлены из композиционных материалов

О том, что Россия создала карбоновые крылья , превосходящие крылья Boeing 787, может вызвать неоднозначные чувства у людей, которые разбираются в авиационной технике, однако это действительно так.

Боинг 787 это суперсовременный авиалайнер одноименной авиастроительной компании. Его главная особенность состоит в том, что фюзеляж, который раньше был из алюминиевого сплава, теперь изготавливается из карбона. Поскольку этот карбон разработала японская компания Toray, японская пресса активно обсуждала эту тему.

Благодаря применению карбона, который легче алюминия и не подвержен коррозии, удается снизить расход топлива и повысить комфортабельность салона. Все это не оставляет сомнений в том, что Боинг 787 - самый передовой на сегодняшний день авиалайнер в мире.

Статус программы самолета МС21

После развала Советского Союза долгое время Россия не вела новых разработок - старые технологии откинули российскую авиапромышленность назад. Несмотря на это, России удалось разработать технологию, превосходящую Боинг 787. В особенности сложно поверить в то, что эта технология касается карбона - изюминки Боинг 787.

Самолет Боинг-787 "Дримлайнер"

Когда американские и европейские технологи и специалисты посетили авиационный завод «АэроКомпозит-Ульяновск» и своими глазами увидели производственную линию, они были крайне удивлены: «Мы не верили, что завод способен на такое, пока не увидели все сами ».

Ситуация с разработкой авиалайнеров в России

Несколько слов о разработке авиалайнеров в России: производство пассажирских авиалайнеров начало быстро развиваться после Второй мировой войны. В СССР технологии развивались быстрыми темпами, поэтому реактивные авиалайнеры появились там на два года раньше, чем в США (в СССР в 1956 году, а в США - в 1958).

До 60-х годов СССР немного опережал США. Если сравнивать с Великобританией и Францией, то советская авиапромышленность намного превосходила эти страны. Тем не менее, после того, как в конце 60-х появился Jumbo Jet, СССР начал отставать с точки зрения размеров, электроники и экономичности. При этом считается, что Россия отстает в сфере карбоновых технологий.

В конце 80-х годов прошлого столетия СССР попытался наверстать упущенное. Он разработал такие самолеты, как Ту-204 и Ил-96 , в которых применялись новые технологии (президент России летает на самолете того поколения). Между тем, Союз развалился еще до окончания разработки. Само существование авиационной промышленности оказалось под вопросом, поэтому отставание от Запада только увеличилось. Можно сказать, что Россия проиграла холодную войну и в сфере разработки авиалайнеров.

Российская экономика быстро восстановилась после 2000 года: пришедший к власти Владимир Путин навел порядок, росли цены на нефть . Авиационная промышленность, выжившая за счет экспорта военных самолетов в развивающиеся страны в 90-е годы, начала заниматься гражданскими разработками. Началось массовое производство авиалайнера Сухой Суперджет-100 (SSJ100). По информации компании, в 2014 году было произведено 37 самолетов.

Российский самолет "Сухой Суперджет 100"

В SSJ100 широко использовались западные технологии, в результате чего получился современный самолет, резко контрастирующий с советскими авиалайнерами. Несмотря на это, он не идет ни в какое сравнение с Боинг 787, который создавался в тот же период. Возможно, SSJ100 не отставал от уже летающих самолетов, однако его, вряд ли, можно сравнивать с авиалайнерами, которые находились на стадии разработки.

В настоящее время Россия разрабатывает второе поколение авиалайнеров: МС-21 . По размеру он практически ни чем не отличается от Боинг 737 или Аэрбас А320, которые являются наиболее продаваемыми самолетами. SSJ100 изготавливается из алюминиевого сплава, поэтому можно сказать, что это «обычный самолет ». В свою очередь, у карбоновые крылья и хвост. Мне кажется, этот самолет сможет конкурировать с новейшими образцами.

Если заменить алюминий на карбон, вес снижается примерно на 20%, однако не так-то просто изготовить надежную деталь. Кроме того, стоимость была слишком высокой. Сначала карбон стали применять при производстве военных самолетов, затем он появился в гражданской авиации, однако его применяли в частях, которые не представляют большой важности. Например, если в карбон попадает даже небольшая пылинка, то он становится некачественным, поэтому при производстве самолетов крайне сложно обеспечить абсолютную надежность. В связи с этим сделать крылья из карбона технологически очень непросто.

Российские крылья, превосходящие 787

Что же представляют собой российские карбоновые крылья, которые смогли произвести впечатление на зарубежных специалистов? Главное преимущество состоит в применении передовой, но при этом недорогой производственной технологии. Важные детали Боинга 787 изготавливаются при помощи препрега и автоклава. Производители материала покрывают тонкий слой углеродного волокна жидким пластиком и укрепляют это волокно под давлением, благодаря чему они получили сравнительно простой и надежный производственный метод.

Макет ближне-среднемагистрального самолета МС-21

Тем не менее, препрег стоит очень дорого. При этом его срок хранения ограничен. Кроме того, если материал не используется, его необходимо замораживать. Если ошибиться с температурным режимом и сроком хранения, дорогостоящий материал приходится выбрасывать. Что касается автоклава, то оборудование и его эксплуатация также являются дорогостоящими.

Русские использовали другую технологию, которая заключается в следующем: на углеродное волокно наносится жидкий слой пластика, затем волокно укрепляется в печи, у которой есть только функция нагрева. Этот метод называется трансферное формование пластмасс с помощью вакуума (VaRTM) .

Перспективы «Ильюшина» >>

При использовании препрега нанести пластик ровным слоем на тонкий лист волокна не очень сложно, однако при использовании метода VaRTM пластик наносится после того, как из углеродного волокна формируется деталь самолета, поэтому необходимо наносить его ровным слоем на деталь сложной формы. Крылья самолета не только сложные, но и большие, поэтому задача усложняется. Поэтому Боинг и Аэрбас отказались от использования метода VaRTM при изготовлении крыльев.

«АэроКомпозит-Ульяновск» стала первой в мире компанией, которая полностью исключила из производственного процесса препрег и автоклав. Крылья являются передовыми именно благодаря производственному процессу. Поэтому с точки зрения функциональности их нельзя назвать инновационными. Тем не менее, тот факт, что российской компании удалось снизить себестоимость карбона, который не получает широкого распространения в силу высокой цены, имеет огромное значение.

Как Россия получила новейшую технологию?

На самом деле, в СССР также шли исследования в области производства карбоновых деталей для самолетов. В настоящее время украинская компания «Антонов» применяет карбоновые детали. В транспортном самолете АН-124, который хорошо известен в Японии, используются различные карбоновые элементы второго уровня.

Более того, карбоновые элементы первого уровня есть в транспортном самолете АН-70, который был разработан в конце советского периода и совершил первый полет в 1994 году. Карбоновые детали второго уровня планировалось установить и на Ту-204, который был разработан в конце советского периода. Таким образом, в СССР применялись карбоновые элементы, однако Союз распался до того, как карбон получил широкое применение, поэтому производство авиалайнеров с карбоновыми деталями не развивалось. Что касается «Антонова» , то, несмотря на частичное применение карбоновых технологий, в целом компания отставала от мировых авиапроизводителей.

Также российский технологический уровень, связанный с углеродным волокном, был ниже западного. Предел прочности материала T800S компании Toray, который используется для производства деталей первого уровня для Боинг 787, составляет 5880МПа, в то время как российского - 3500МПа. Это значение находится примерно на одном уровне с материалом Т300 компании Toray, который был разработан 40 лет назад. После развала СССР нам было не до разработки технологий, поэтому считалось, что она отстает от Запада в сфере карбоновых технологий.

Каким же образом России удалось сделать карбоновые крылья, превосходящие Боинг 787?

На заводе «АэроКомпозит-Ульяновск» используют технологию австрийской компании FACC , благодаря чему удалось овладеть технологией изготовления карбонового крыла. Также на заводе есть роботы немецкой компании Kuka и автоматические погрузчики испанской MTorres. Большая часть оборудования - западного производства.

Полноразмерный макет кабины МС-21

«АэроКомпозит-Ульяновск» приобрела технологический пакет, благодаря чему смогла пользоваться результатами многолетних исследований. В результате технологическое отставание, включая советский период, было сведено на нет за короткое время. Благодаря этому компания преуспела в производстве крыльев для МС-21 без использования препрега и автоклава.

«Авиастар-СП» начал производить новые модифицированные ИЛ-76МД-90А >>

«АэроКомпозит-Ульяновск» получила в свои руки только технологию укрепления углеродного волокна при помощи пластика. Дело в том, что не так-то просто приобрести технологию производства углеродного волокна для авиационных элементов первого уровня, прочность которых должна составлять 6000МПа. Подобный материал не производится в России.

Полноразмерный макет салона МС-21

Тем не менее следует уважать решение России производить крылья по новейшей технологии, которая не применялась в других странах, к тому же страна действительно преуспела в этом. Завод «АэроКомпозит-Ульяновск» произвел огромное впечатление на зарубежных авиационных специалистов. Эта компания, производящая передовые карбоновые крылья с применением новейшего автоматизированного оборудования, способна улучшить сложившийся имидж России.

Значение карбоновых крыльев МС-21

Поражает способность компании овладеть передовой технологией за короткий период. Карбоновые крылья МС-21 продемонстрировали то, что российские технологии, казавшиеся безнадежно устаревшими, находятся в полном порядке. Производство карбоновых крыльев для авиалайнера способом, превосходящим технологии Боинг - это действительно выдающееся достижение.

Легендарные двигатели Д30КУ/КУ-154 >>

Тем не менее говорить о том, что Россия вышла на первое место по карбоновым технологиям, еще рано. Россия не разрабатывала эту технологию с нуля. Она применила иностранную технологию производства авиационных деталей методом укрепления углеродного волокна пластиком. При этом само углеродное волокно импортируется (в ближайшее время Россия вряд ли сможет стать ведущим игроком в сфере производства углеродного волокна).

Это означает, что другие страны также могут применить подобную технологию для производства карбоновых крыльев. Япония производит хвост MRJ на основе собственных технологических разработок. При этом Япония - родина углеродного волокна .

Россия преуспела в разработке карбоновых крыльев для МС-21. По всей видимости, это не единственное явление в российской промышленности, которое свидетельствует о развитии индустрии и технологий.

Лидеры и перспективы

Большую часть рынка композитов занимают крупные международные компании, штаб-квартиры большей части которых - в США или Японии. Самый крупный производитель композитов – японский химический конгломерат Toray , оборот примерно $18 млрд и 10% выручки приходится, собственно, на композиты. Композиты японцы начали выпускать в начале 70-ых годов, после того как освоили выпуск нейлона, синтетических материалов и другой продукции.

В пятерке лидеров – азиатские Mitsubishi, Toho, Formosa, они специализируются в том числе на выпуске сырья – белой нити, из которой потом делают углеродное волокно. Среди крупнейших производителей ткани и препрегов – американские Hexcel и Cytec (последняя совсем недавно вошла в европейский концерн Solvay с оборотом свыше 12 млрд евро). Есть в списке заметных потребителей и компании с интересной историей. Например, австрийская FACC с оборотом более 1,2 млрд евро выросла из композитного направления европейского производителя спортивного инвентаря Fischer. По оценкам экспертов в настоящее время мировой рынок углекомпозитов оценивается свыше $3,1 млрд с потенциалом удвоения каждые пять лет.

По прогнозам экспертов университета Tennessee и Oak Ridge National Laboratory, в ближайшие 5 лет аэрокосмическая отрасль будет конкурировать с другими потребителями композитов. В 2018 году потребление композитов аэрокосмической индустрией оценивается в 13%, автомобильной промышленностью – в 20%, производстве всевозможных баллонов – от аквалангистов до цистерн - 22%, а ветряной энергетике – более 10% от общего объема потребляемых материалов.

Карбоновые крылья суперсовременного авиалайнера МС-21 совершеннее крыльев Boeing 787

Заголовок, который заявляет о том, что Россия создала карбоновые крылья, превосходящие крылья Boeing 787, может вызвать противоречивые чувства у тех людей, которые разбираются в ситуации, однако это действительно так.

Boeing 787 — новейший авиалайнер компании Boeing. Его главная особенность состоит в том, что фюзеляж, который раньше был из алюминиевого сплава, теперь изготавливается из карбона. Поскольку этот карбон разработала японская компания Toray, японская пресса активно обсуждала эту тему.

Благодаря применению карбона, который легче алюминия и практически не подвержен коррозии, удается снизить расход топлива и повысить комфортабельность салона. Все это не оставляет сомнений в том, что Boeing 787 — самый передовой авиалайнер в мире.

При этом российские самолеты, как правило, вызывают страх. Вряд ли можно говорить о том, что они действительно опасны, однако авиалайнеры, разработанные в советское время, отстают с технологической точки зрения. Кроме того, они отличаются большим расходом топлива и многочисленным экипажем для управления самолетом, поэтому они не столь привлекательны в сравнении с продукцией Boeing или Airbus.

После развала СССР Россия долгое время не вела новых разработок. Естественно, старые технологии откинули российскую авиапромышленность назад.

Несмотря на это, России удалось разработать технологию, превосходящую Boeing 787. В особенности сложно поверить в то, что эта технология касается карбона — изюминки Boeing 787.

Когда технологи и специалисты Boeing и Airbus посетили авиационный завод «АэроКомпозит-Ульяновск» и своими глазами увидели производственную линию, они были крайне удивлены: «Мы не верили, что завод способен на такое, пока не увидели все сами».

Когда директор завода рассказал мне о своих технологиях, я тоже не удержался и сказал, что не верил в это.

Ситуация с разработкой авиалайнеров в России

Я хотел бы сказать несколько слов о разработке авиалайнеров в России. Производство пассажирских авиалайнеров начало быстро развиваться после Второй мировой войны. В СССР технологии развивались быстрыми темпами, поэтому реактивные авиалайнеры появились там на два года раньше, чем в США (в СССР в 1956 году, а в США — в 1958).

До 60-х годов СССР немного опережал США. Если сравнивать с Великобританией и Францией, то советская авиапромышленность намного превосходила эти страны.

Тем не менее, после того, как в конце 60-х появился Jumbo Jet, СССР начал отставать с точки зрения размеров, электроники и экономичности. При этом считается, что Россия отстает в сфере карбоновых технологий.

В конце советского периода СССР попытался наверстать упущенное. Он разработал такие самолеты, как Ту-204 и Ил-96, в которых применялись новые технологии (президент России летает на самолете того поколения).

Между тем, Союз развалился еще до окончания разработки. Само существование авиационной промышленности оказалось под вопросом, поэтому отставание от Запада только увеличилось. Можно сказать, что Россия проиграла холодную войну и в сфере разработки авиалайнеров.

Началось массовое производство авиалайнера Сухой Суперджет-100 (SSJ100). По информации компании, в 2014 году было произведено 37 самолетов.

В SSJ100 широко использовались западные технологии, в результате чего получился современный самолет, резко контрастирующий с советскими авиалайнерами.

Несмотря на это, он не идет ни в какое сравнение с Boeing 787, который создавался в тот же период. Возможно, SSJ100 не отставал от уже летающих самолетов, однако его, вряд ли, можно сравнивать с авиалайнерами, которые находились на стадии разработки.

В настоящее время Россия разрабатывает второе поколение авиалайнеров: МС-21. По размеру он практически ни чем не отличается от Boeing 737 или Airbus А320, которые являются наиболее продаваемыми самолетами.

SSJ100 изготавливается из алюминиевого сплава, поэтому можно сказать, что это «обычный самолет». В свою очередь, у МС-21 карбоновые крылья и хвост. Мне кажется, этот самолет сможет конкурировать с новейшими образцами. Карбоновые крылья были изготовлены в конце прошлого месяца.

Например, если в карбон попадает даже небольшая пылинка, то он становится некачественным, поэтому при производстве самолетов крайне сложно обеспечить абсолютную надежность. В связи с этим сделать крылья из карбона технологически очень непросто.

Российские крылья, превосходящие 787

Что же представляют собой российские карбоновые крылья, которые смогли произвести впечатление на Boeing и Airbus? Главное преимущество МС-21 состоит в применении передовой, но при этом недорогой производственной технологии.

В авиационной промышленности применение карбона развивается по двум направлениям. Первое состоит в том, какие детали изготавливать из карбона. Некоторые детали не могут привести к серьезным неприятностям, несмотря на поломку.

Поворотные лопатки (рули направления и закрылки) и обтекатели в определенном смысле не столь важны. Такие детали называют структурными элементами второго уровня. При этом очевидно, что если сломаются крылья или фюзеляж, трагедии не избежать. Такие части называют структурными элементами первого уровня.

Сначала карбон начали применять для изготовления элементов второго уровня. Затем — для таких элементов первого уровня, как хвост, крылья и фюзеляж.

Например, поворотные лопатки и обтекатели Boeing 767, который появился в 80-х годах, изготовлены из карбона. В свою очередь, у Boeing 777, эксплуатация которого началась в 90-е годы, карбоновый хвост.

Фюзеляж и крылья Boeing 787, совершившего первый рейс в 2011 году, полностью изготовлены из карбона. Что касается МС-21, то у него алюминиевый фюзеляж, но карбоновые элементы первого уровня, то есть хвост и крылья. Значит, такой важнейший элемент МС-21, как крылья, изготовлен из карбона.

Еще одно направление заключается в снижении себестоимости. Неспециалисты незнакомы с производственной технологией карбоновых самолетов. Для большинства людей термины, связанные с производственным процессом карбоновых крыльев, будут звучать как иностранный язык.

Я использую слово «карбон», которое означает пластик, армированный углеродным волокном. Углеродное волокно укрепляется при помощи пластика, который напоминает эпоксидную смолу.

Предел прочности углеродистой стали составляет 400МПа, в то время как углеродного волокна — 3000 — 6000 МПа, однако само по себе волокно тонкое, поэтому оно не может стать прочным промышленным материалом.

Благодаря укреплению пластиком оно становится таким крепким, что его можно использовать для самолетостроения.

Производственный процесс пластика, армированного углеродным волокном, можно разделить на процесс изготовления углеродного волокна и процесс его укрепления пластиком. Углеродное волокно производят такие компании, как Toray.

Авиапроизводители уже сами укрепляют пластиком углеродное волокно.

Авиапроизводители стремятся снизить себестоимость этого процесса. В этом смысле технология производства МС-21 — самая передовая в мире.

Говоря простым языком, компании «АэроКомпозит-Ульяновск» удалось удешевить производственные процессы, связанные с автоклавом и пропиткой синтетической смолой для упрочнения.

Изначально авиапроизводители приобретали углеродное волокно, пропитанное пластиком (называется препрег), и изготавливали авиационные детали из нескольких слоев углеродного волокна. Затем детали укреплялись в автоклаве.

При этом пластик, применяемый в авиапромышленности, отличается от обычного пластика. Этот пластик представляет собой термореактивную смолу, которая укрепляется при помощи температуры.

Как и крылья, которые производит компания Mitsubishi Heavy Industries, важные детали Boeing 787 изготавливаются при помощи препрега и автоклава. Производители материала покрывают тонкий слой углеродного волокна жидким пластиком и укрепляют это волокно под давлением, благодаря чему они получили сравнительно простой и надежный производственный метод.

Тем не менее, препрег стоит очень дорого. При этом его срок хранения ограничен.Кроме того, если материал не используется, его необходимо замораживать. Если ошибиться с температурным режимом и сроком хранения, дорогостоящий материал приходится выбрасывать.Что касается автоклава, то оборудование и его эксплуатация также являются дорогостоящими.

Если отказаться от препрега и автоклава, можно существенно снизить себестоимость.В других отраслях, где надежность не настолько важна, уже распространилась технология, в которой не применяются препрег и автоклав.

Эта технология заключается в следующем: на углеродное волокно наносится жидкий слой пластика, затем волокно укрепляется в печи, у которой есть только функция нагрева. Этот метод называется трансферное формование пластмасс с помощью вакуума (VaRTM).

Авиапроизводители также проводили исследования в области применения метода VaRTM. В результате элементы второго уровня Boeing 787 изготовлены по этой технологии. Хвост японского MRJ также изготовлен методом VaRTM.

Тем не менее, из-за большого размера крыльев при их производстве метод VaRTM не применялся. Российской компании первой в мире удалось изготовить надежные крылья методом VaRTM.

Этот метод сложно применять в авиационном мире, поскольку в сравнении с препрегом и автоклавом крайне сложно добиться высокой надежности.

Карбон состоит из нескольких слоев углеродного волокна, укрепленных пластиком, однако, если используется недостаточное количество пластика, слои углеродного волокна могут отклеиться. И наоборот, если пластика слишком много, снижается плотность углеродного волокна, в результате чего деталь перестает быть крепкой. То есть пластика должно быть строго определенное количество.

Иногда при нанесении жидкого пластика вымываются углеродные волокна, в результате чего теряется форма детали. Кром того, при использовании метода VaRTM сложно обеспечить необходимую текучесть, а также функциональность детали самолета после ее затвердевания.

В других отраслях это не настолько критично, поэтому иногда пластик распределяется не равномерным слоем или же не обладает необходимыми прочностью или формой.

В случае самолетных деталей первого уровня это недопустимо. Boeing и Airbus отказались от использования метода VaRTM при изготовлении крыльев.

Строго говоря, этот метод использовался при производстве Bombardier CSeries, однако «АэроКомпозит-Ульяновск» стала первой в мире компанией, которая полностью исключила из производственного процесса препрег и автоклав.

Крылья МС-21 являются передовыми именно благодаря производственному процессу. Поэтому с точки зрения функциональности их нельзя назвать инновационными. Тем не менее, тот факт, что российской компании удалось снизить себестоимость карбона, который не получает широкого распространения в силу высокой цены, имеет огромное значение.

Каким образом Россия получила новейшую технологию?

(АН-70 до сих пор не введен в эксплуатацию по политическим и экономическим причинам. Если рассмотреть применение карбоновых материалов, то АН-70 отставал от Airbus, но не от Boeing. При этом АН-70 — скорее военный самолет. Углеродное волокно, применявшееся в нем, было не таким крепким, как западные образцы).

Таким образом, в СССР применялись карбоновые элементы, однако Союз распался до того, как карбон получил широкое применение, поэтому производство авиалайнеров с карбоновыми деталями не развивалось. Что касается «Антонова», то, несмотря на частичное применение карбоновых технологий, в целом компания отставала от мировых авиапроизводителей.

Это значение находится примерно на одном уровне с материалом Т300 компании Toray, который был разработан 40 лет назад. После развала СССР России было не до разработки технологий, поэтому считалось, что она отстает от Запада в сфере карбоновых технологий.

Каким же образом России удалось сделать карбоновые крылья, превосходящие Boeing 787? Во-первых, углеродное волокно импортируется. Не так-то просто выйти на мировой уровень производства углеродного волокна. В России углеродное волокно укрепляется пластиком.

Для производства углеродного волокна требуется дорогостоящее оборудование и огромный технологический опыт, поэтому сложно произвести передовое углеродное волокно. В основном этот материал производят три японские компании: Toray, TOHO TENAX и Mitsubishi Rayon, которые практически монополизировали этот рынок.

При этом укрепить углеродное волокно можно в домашних условиях. Компаний, которые занимаются этим, бесчисленное количество (используется не только углеродное волокно, но и стеклопластик).

Требования авиапроизводителей по качеству намного жестче, однако в этой сфере монополизации нет.

В последнее время стали применять автоматизированное оборудование, однако ноу-хау, касающееся такого оборудования, находится в руках производителей оборудования и системных интеграторов, которые продают свои решения любым авиапроизводителям.

Другими словами, если есть технологии для применения оборудования, капитал на это оборудование и решимость применить новейшие технологии, можно получить в свои руки технологию производства карбоновых деталей для самолетов, даже если нет технологического капитала, касающегося производства углеродного волокна.

На заводе «АэроКомпозит-Ульяновск» используют технологию австрийской компании FACC, благодаря чему удалось овладеть технологией изготовления карбонового крыла. Также на заводе есть роботы немецкой компании Kuka и автоматические погрузчики испанской MTorres. Большая часть оборудования — западного производства.

Как я отметил выше, исследования в области применения метода VaRTM в авиастроении велись в разных странах.

Что касается проблемы неравномерного распределения жидкого пластика, то появились методы контроля потока, например, за счет создания канала потока. Что касается проблемы потери формы, когда жидкий пластик вымывает углеродное волокно, то ее преодолевали за счет временной фиксации углеродного волокна при помощи термопластика.

Некоторые компании вели разработки пластика, который обладает низкой вязкостью, необходимой для метода VaRTM, и правильными физическими параметрами при затвердевании. Компания FACC получила ноу-хау изготовления авиационных деталей методом VaRTM.

Например, «АэроКомпозит-Ульяновск» наслаивала углеродное волокно, временно фиксируя его термопластиком. При этом в ходе этого процесса термопластик разогревался лазером, временно фиксируя слои углеродного волокна. Благодаря этому деталь не теряет свою форму во время укрепления термореактивного углеродного волокна смолистым веществом.

При этом термопластик обладает свойством укрепления термореактивного пластика. На месте можно посмотреть результаты испытаний применения метода VaRTM для изготовления авиационных деталей.

Компания FACC собрала воедино все эти технологии и подготовила полное решение, включая ноу-хау и оборудование, для изготовления авиационных элементов первого уровня методом VaRTM. В основном FACC производит для авиации карбоновые детали, однако она также торгует комплексными технологиями.

Завод «АэроКомпозит-Ульяновск» произвел огромное впечатление на зарубежных авиационных специалистов. Эта компания, производящая передовые карбоновые крылья с применением новейшего автоматизированного оборудования, способна улучшить сложившийся имидж России.

Значение карбоновых крыльев МС-21

Поражает способность компании овладеть передовой технологией за короткий период. Карбоновые крылья МС-21 продемонстрировали то, что российские технологии, казавшиеся безнадежно устаревшими, находятся в полном порядке. Производство карбоновых крыльев для авиалайнера способом, превосходящим технологии Boeing, — это действительно выдающееся достижение.

При этом само углеродное волокно импортируется (в ближайшее время Россия вряд ли сможет стать ведущим игроком в сфере производства углеродного волокна).

Это означает, что другие страны также могут применить подобную технологию для производства карбоновых крыльев. Япония производит хвост MRJ на основе собственных технологических разработок. При этом Япония — родина углеродного волокна.

Если японская компания решит изготавливать карбоновые крылья для MRJ следующего поколения таким же методом, я думаю, она преуспеет в этом (хотя это будет непросто). Безусловно, между «возможностью» и «реальностью» существует огромная разница.

Россия обладает большим экспериментальным опытом, однако в сравнении с опытом, которым обладают японские производители углеродного волокна, он небольшой.

За короткий период России удалось овладеть методом применения углеродного волокна для изготовления авиационных деталей. При этом она импортирует углеродное волокно, несмотря на то, что в советский период страна производила этот материал. О чем это говорит?

Существует два пути: накопление технологий в течение длительного периода и овладение технологиями. В 90-х годах японская промышленность, до этого лидировавшая в различных областях, начала терять свою конкурентоспособность: ее обошли такие быстроразвивающиеся страны, как Южная Корея. Западные компании также вернули свои позиции. Типичный пример — производство полупроводников.

Что касается полупроводников, то, как и в случае с методом укрепления углеродного волокна пластиком, технологией их производства можно овладеть сравнительно за короткий период за счет применения соответствующего оборудования.

При этом есть сферы, в которых Япония до сих пор находится на первых ролях. Углеродное волокно — одна из таких сфер. Япония лидирует в сфере производства высоколегированной стали и другого сырья. Подобную продукцию невозможно производить только за счет внедрения оборудования. Необходим опыт.

Россия овладела технологией укрепления углеродного волокна, однако сам материал ей приходится импортировать. Можно сказать, что так проявилась разница в двух технологиях.

При осуществлении стратегического планирования в промышленной сфере важную роль играют оба вида технологий. В России, чья промышленность находится в застое, может помочь быстро вернуть свои позиции и стать эффективной стратегия, при которой компании сосредоточатся на сферах, обеспечивающих быстрое развитие за счет применения новейших технологий. Крылья МС-21 стали примером подобного успеха.

Если же государству, например, Японии, необходимо сохранить свои позиции в качестве высокоразвитой промышленной страны, ему нельзя просто приобретать комплексные решения. Важно сохранить свое лидерство за счет бережного отношения к накопленному опыту.

К дате первого полёта МС-21 в мировой гражданской авиации было всего три самолёта, у которых крылья изготовлены из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Это Boeing B787 Dreamliner, Airbus A350 XWB и Bombardier CSeries. 28 мая 2017 года компанию этой тройке составил и российский МС-21 .

Одним из преимуществ композитных деталей является их устойчивость к коррозии и распространению повреждений. Композиты можно назвать универсальными материалами, они могут использоваться в самолётостроении, оборонной промышленности, кораблестроении и прочих областях, в которых к материалу предъявляют повышенные требования по таким характеристикам как прочность и жёсткость, хорошее сопротивление хрупкому разрушению, жаропрочность, устойчивость свойств при резкой смене температуры, долговечность.

Изготовление композитных деталей в авиапромышленности производится методом автоклавного формования - получение многослойных изделий из так называемых препрегов - композиционных материалов-полуфабрикатов, получаемых предварительной пропиткой полимерной смолой углеродных тканей. Одним из существенных недостатков этой технологии является высокая стоимость получаемых деталей, которая во многом определяется длительностью процесса их формования, ограниченным сроком хранения препрегов и высокой стоимостью технологического оборудования. По нормативным документам гарантийный срок хранения препрега в морозильной камере в диапазоне температур от -19°С до -17°С составляет 12 месяцев. Время хранения препрега при температуре 20±2°С - 20 суток, при этом заготовку детали можно выкладывать в условиях производственного участка только в течение 10 суток.

Альтернативой препрегово-автоклавной технологии являются «прямые» процессы (directprocesses), суть которых заключается в совмещении операций пропитки углеродного волокна полимерной смолой и формования детали, что приводит к сокращению времени производственного цикла, снижению энерго- и трудозатрат и, как следствие, - к удешевлению технологии. Если отказаться от препрега и автоклава, то можно не только существенно снизить себестоимость изготовления композитных деталей, но и существенно увеличить их размер. Одним из методов безавтоклавного формования является технология вакуумной инфузии - Vacuum Infusion, VARTM.

По этой технологии пропитка сухого углеродного волокна и формование детали происходит на оснастке с закреплённым на ней вакуумным мешком. Полимерное связующее закачивается в форму за счёт разряжения, создаваемого под вакуумным мешком. Это позволяет существенно снизить затраты на подготовку производства крупных конструкций благодаря возможности применения более простой и дешёвой оснастки. К основным недостаткам технологии вакуумной инфузии стоит отнести, в первую очередь, трудности воспроизводимости процесса, - необходима тщательная отработка технологии, чтобы получать детали со стабильными геометрическими и физико-механическими характеристиками.

В результате опроса, проведённого в США в 2006 году, американские производители аэрокосмической техники пришли к выводу, что метод вакуумной инфузии недостаточно исследован и отработан для использования в изготовлении крупных деталей первого уровня в пассажирских авиалайнерах.

Но с тех пор многое изменилось.

Как известно, у широкофюзеляжного лайнера Boeing B787 Dreamliner из ПКМ выполнены фюзеляж и крылья, которые производятся автоклавно-препреговым методом. Также для этого самолёта немецкая компания Premium Aerotec использует метод VAP (Vacuum Assisted Process) для изготовления гермошпангоута, компания Boeing Aerostructures (бывшая Hawker de Havilland) применяет метод контролируемой инфузии CAPRI (Controlled Atmospheric Pressure Resin Infusion) для производства отклоняемых аэродинамических элементов киля, крыла и хвостового оперения: элероны, флапероны, закрылки и спойлеры. Канадская компания Bombardier применяет метод LRI и автоклавную полимеризацию для изготовления крыльев семейства самолётов CSeries. GKN Aerospace из Великобритании в мае 2016 года продемонстрировала композитный центроплан изготовленный методом вакуумной инфузии с использованием недорогого набора инструментов и оснастки.

Российский завод "Аэрокомпозит" в Ульяновске первым в мировой гражданской авиации применяет безавтоклавный метод вакуумной инфузии (VARTM) для изготовления из ПКМ крупных интегральных конструкций первого уровня.

Крылья и оперение типичного узкофюзеляжного самолёта составляют 45% от веса планера, на фюзеляж приходится ещё 42%. ОАК видит задачу, которую необходимо решить, чтобы добиться успеха в условиях жёсткой конкуренции на рынке узкофюзеляжных самолётов, - если оптимальное использование композитов в конструкции МС-21 позволит снизить вес лайнера, и уменьшить производственные затраты на 45%, тогда и самолёт, и российские технологические компании упрочат свои позиции в мировом авиастроении.

Почему вакуумная инфузия?

Исследования 2009 года показали, что использование печи вместо автоклава может снизить капитальные затраты с $2 млн до $500 тыс. Для деталей от 8 м² до 130 м² печь может стоить от 1/7 до 1/10 стоимости сопоставимого размера автоклава. Кроме того, стоимость сухого волокна и жидкого композитного заполнителя может быть меньше на 70%, чем те же материалы в препреге. У МС-21-300 размер крыла - 3х36 метров, размер центроплана составляет 3х10 метров. Таким образом, экономия затрат "Аэрокомпозита" видится весьма значительной.

Тем не менее, генеральный директор ЗАО "Аэрокомпозит" Анатолий Гайданский поясняет, что стоимость автоклавов и препрегов не была единственным критерием принятия решения в пользу метода вакуумной инфузии. Эта технология даёт возможность создавать большие интегральные конструкции, которые работают как единое целое.

По заказу ЗАО "Аэрокомпозит" австрийскими компаниями Diamond Aircraft и Fischer Advanced Composite Components (FACC AG) были изготовлены 4 десятиметровых прототипа кессона крыла, которые с лета 2011 по март 2014 года прошли в ЦАГИ весь комплекс прочностных испытаний, и была проведена экспериментальная стыковка прототипа кессона крыла с центропланом. Эти исследования во-первых, подтвердили, что заложенные конструкторами расчётные параметры обеспечивают безопасность полётов, а во-вторых, применение крупных интегральных структур значительно снижает трудоёмкость сборки, уменьшает количество деталей и крепёжных элементов.

Анатолий Гайданский к этому добавляет: "Сухое карбоновое волокно можно хранить практически бесконечно, что невозможно с препрегами. Инфузия позволяет нам обеспечить адаптивное планирование производства, основанное на масштабе программы".

Для МС-21 метод вакуумной инфузии используется при изготовлении крупных силовых интегральных элементов первого уровня: лонжеронов и обшивки крыла со стрингерами, секции панелей центроплана, силовые элементы и обшивку киля и хвостового оперения. Эти элементы будут изготавливаться и собираться на заводе "Аэрокомпозит" в Ульяновске.

Препреги и технология автоклавного формования будут использоваться на "КАПО-Композит" в Казани - совместном предприятии ЗАО "Аэрокомпозит" и австрийской FACC AG. Здесь будут производиться обтекатели, элементы механизации крыла: элероны, спойлеры, закрылки, а также рули высоты и направления.

Автоклавы на заводе "КАПО-Композит" в Казани / Фото (с) АО "Аэрокомпозит"

Разработка технологии

Технология производства "чёрного" крыла самолёта МС-21 создана специалистами «АэроКомпозита» в тесном сотрудничестве с зарубежными производителями технологического оборудования. Метод вакуумной инфузии существует уже многие годы, но такое крупное и сложное изделие, как крыло самолёта, по этой технологии впервые сделали в Ульяновске.

Автоматическую выкладку сухого материала для изготовления крупных интегральных конструкций никто никогда в авиапромышленности не применял.

С 2009 по 2012 годы "Аэрокомпозит" работал с различными компаниями по всему миру, чтобы выбрать материалы и технологию повторяемого процесса требуемой точности и качества. На начальном этапе были взаимодействия с американской компанией Hexcel, но позднее "АэроКомпозит" переключился на альтернативных поставщиков. Была выбрана продукция бельгийской Solvay, американское подразделение которой Cytec производит смолы и сухое углеволокно.

В сентябре 2018 года США ввели санкции против "Аэрокомпозита", что привело к остановке поставок материалов для производства композитного крыла и других силовых элементов конструкции самолёта. Однако к этому времени в России уже было готово своё производство - "Росатом" построил завод в Алабуге по выпуску материалов для композитных изделий в авиапромышленности.

Роботизированные установки для сухой автоматизированной выкладки углеродного наполнителя поставила компания Coriolis Composites, на этом оборудовании производятся лонжероны крыла. Роботизированную установку для сухой выкладки портального типа, на которой изготавливают панели крыла, поставила испанская MTorres. Термоинфузионные центры TIAC разработаны французской компанией Stevik.

По словам Анатолия Гайданского, сам по себе процесс вакуумной инфузии не налагает особых требований к проектированию конструктивных элементов крыла, в основном он оказывает влияние на разработку технологической оснастки, где должен быть сохранён баланс между способностью производить детали с высокой точностью, сохраняя при этом работоспособность процесса инфузии. В научно-исследовательской лаборатории ЗАО "Аэрокомпозит" было проведено большое количество тестов с материалами, деталями и образцами элементов, чтобы определить этот баланс. В итоге была выбрана ткань, в которой углеволокно не переплеталось, а при помощи полимерной нити было скреплено в единое полотно. Благодаря тому, что волокно не переплетается, оно практически не имеет механических повреждений, сказывающихся на прочности детали.

"Мы протестировали материалы с открытой структурой, чтобы выяснить текучесть смолы, а также более плотное волокно, для которого необходимо применять другие средства проницаемости наполнителя, например, зазор между лентами", - говорит Гайданский.

Компания MTorres стала одним из ключевых участников процесса выбора материала, так как эта испанская компания много экспериментировала с различными вариантами машинной укладки сухого волокна. Несмотря на то, что у неё уже был значительный опыт, полученный в 2009 году при разработке лопастей из стеклоткани для ветряков Gamesa, в 2012 году был подписан контракт с "Аэрокомпозитом" на разработку оборудования для автоматизированной выкладки сухого углеволокна, что представлялось гораздо более сложной задачей. Композитные изделия обычно состоят из нескольких слоёв углеволокна с разными углами ориентации - такая укладка ткани необходима для оптимизации устойчивости к нагрузке по различным направлениям, так как композитное крыло в процессе эксплуатации самолёта подвергается воздействию комплексной внешней нагрузке, которая работает и на сжатие, и на растяжение, и на скручивание.

"Сухой материал, в отличие от препрегов, по определению не пропитывается какой-либо смолой, и таким образом, легко перемещается из положения, в которое был уложен", - объясняет директор по продажам MTorres Хуан Солано. "Наша задача состояла в том, чтобы каким-то образом зафиксировать материал для точной автоматизированной выкладки и убедиться, что он не меняет своего положения в дальнейшем".

Для решения этой задачи был использован очень тонкий слой термопластика в качестве связующего элемента для удержания волокна на месте. Г-н Солано рассказывает, что для активирования связующего слоя MTorres разработал теплоотводящее устройство, размещаемое в головной части преформы и обеспечивающее минимальную способность к прилипанию. Это решение сделало жизнеспособным автоматизированный процесс выкладки.

После размещения волокна преформу помещают в термоинфузионную установку - TIAC, которая представляет собой интегрированную систему, состоящую из модуля впрыска, модуля нагрева и программно-аппаратного комплекса для обеспечения автоматизации процесса инфузии с точным соблюдением заданных технологических параметров. Установка смешивает, нагревает и дегазирует эпоксидную смолу, управляет процессом заполнения вакуумного мешка смолой и процессом полимеризации. TIAC отслеживает и контролирует температуру и количество смолы, поступающей в преформу, скорость заполнения, целостность вакуумного мешка и преформы. Уровень вакуума контролируется с точностью, не превышающей 1/1000 бара - 1 милибар.

Лонжерон в термоинфузионном центре

Панель центроплана в термоинфузионном центре

Длительность производственного цикла варьируется от 5 до 30 часов в зависимости от типа, размера и сложности изготавливаемой детали. Процесс полимеризации проходит при температуре 180°С и может поддерживаться с точностью ±2°C до максимального значения 270°C.

Как это происходит в реальности

Технологический процесс изготовления кессона крыла МС-21 выглядит следующим образом:

Подготовка оснастки и выкладка вспомогательных материалов.
Выкладка сухой углеродной ленты и предварительное формование в автоматическом режиме на выкладочной оснастке.
Сборка вакуумного мешка.
Инфузия (пропитка) сухой заготовки в термоинфузионном автоматизированном центре.
Разборка пакета и зачистка деталей.
Проведение неразрушающего контроля.
Механическая обработка и контроль геометрии.
Покраска и сборка.

Все работы производятся в "чистой комнате", в которой количество дисперсионных частиц в воздухе не превышает их количества в стерильной операционной, ведь, если в карбон попадает даже небольшая пылинка, то он становится некачественным и изделие уйдёт в брак.

После выкладки преформ лонжеронов они поступают на участок перемещения из позитивной оснастки в негативную, а преформы обшивки панелей крыла - на участок перемещения выкладочной оснастки в инфузионную. Здесь оснастку запечатывают в специальный конверт, с разных сторон к которому подведены трубки. По одним откачивается воздух, по другим за счёт возникающего разряжения подается связующее.

Стрингеры и панели выкладываются из углеволокна отдельно, но на специальной оснастке заливаются композитной смолой уже совместно. Полимеризация панели со стрингерами при инфузионной технологии происходит за один цикл. При автоклавной технологии требуется два цикла отверждения: 1-й цикл – отверждение стрингеров, 2-й цикл – совместное отверждение стрингеров и обшивки, при этом суммарные временные затраты получаются на 5%, а энергозатраты - на 30% выше, чем при использовании технологии VARTM.

Метод вакуумной инфузии за один цикл пропитки позволяет создавать интегральную монолитную деталь в противоположность клее-клёпанным автоклавным конструкциям, где клеевая плёнка укладывается между стрингером и обшивкой, а процесс установки механического крепежа для дополнительной фиксации стрингеров увеличивает трудоёмкость изготовления панелей до 8%.

Далее преформы перемещаются в термоинфузионные автоматизированные центры с габаритами рабочих зон 22х6х4 м и 6х5,5х3 м в зависимости от размера детали. Здесь происходит процесс инфузии и полимеризации изделия.

По окончании инфузии деталь поступает на участок проведения неразрушающего ультразвукового контроля. Здесь на роботизированной установке Technatom производится оценка качества и надёжности полученной детали - отсутствие трещин, полостей, неравномерности затвердевшего заполнителя и т.д. Неразрушающий контроль имеет особенное значение при создании и эксплуатации жизненно важных изделий, которым, в частности, и является крыло самолёта.

Следующий этап - механическая обработка детали на 5-координатном фрезерном центре MTorres, после чего готовая панель или лонжерон поступает на участок сборки кессона крыла.

Что даёт композитное крыло?

Обтекание потоком воздуха крыла конечного размаха - возникновение индуктивного сопротивления

В результате, за концами крыла образуются два вихревых жгута, которые называют спутными струями. Энергия, затрачиваемая на образование этих вихрей, и определяет индуктивное сопротивление крыла. Для преодоления индуктивного сопротивления затрачивается дополнительная энергия двигателей, а, следовательно, и дополнительное количество топлива.

Индуктивное сопротивление отсутствует у крыла бесконечного удлинения, но реальный самолёт такое крыло иметь не может. Для оценки аэродинамического совершенства крыла существует понятие «аэродинамическое качество крыла», - чем оно выше, тем совершеннее самолёт. Улучшить аэродинамическое качество крыла можно, увеличивая его эффективное удлинение - чем длиннее крыло, тем меньше его индуктивное сопротивление, меньше расход топлива, больше дальность полёта.

Авиаконструкторы всегда стремились увеличить эффективное удлинение крыла. Для крыла МС-21 был выбран суперкритический профиль - профиль, при котором верхняя поверхность практически плоская, а нижняя - выпуклая. Одним из преимуществ такого профиля является возможность создать крыло большого удлинения, а кроме того, законы аэродинамики вынуждают стреловидные крылья делать тонкими, крыло суперкритического профиля можно сделать толще без существенного увеличения аэродинамического сопротивления, а в образовавшемся внутреннем пространстве можно разместить больший запас топлива.

Типовое удлинение крыла у самолётов прошлых поколений составляло коэффициент 8–9, у современных - 10–10,5, а на МС-21 - 11,5. Чтобы изготовить крыло из алюминия с большим удлинением, для сохранения его жёсткости потребовалось бы существенно увеличить толщину крыла, т.к. алюминий - металл мягкий, а увеличение толщины крыла - это увеличение лобового сопротивления. Углепластик - гораздо более жёсткий материал, поэтому, даже без использования винглетов, композитное крыло МС-21 большого удлинения позволяет на крейсерских скоростях полёта получить аэродинамическое качество на 5-6% лучше, чем у новейших зарубежных аналогов, и добиться тем самым большей дальности полёта при меньшем расходе топлива, что в конечном итоге повышает экономическую эффективность лайнера и его конкурентное преимущество

Правая композитная консоль крыла МС-21

Импортозамещение

С компанией Hexcel "АэроКомпозит" взаимодействовал на начальном этапе отработки технологии VARTM - когда начинался проект, в России не производились ПКМ требуемого качества. Сейчас в производстве композитного крыла используется продукция бельгийской Solvay, материал производит её американское подразделение. За годы, прошедшие с начала реализации программы композитного крыла, в России были разработаны отечественные материалы и связующие смолы. Для производства угольного волокна, которое может быть использовано для изготовления силовых конструкций центроплана и кессона крыла МС-21,"Росатом" построил завод в Алабуге. У "АэроКомпозита" есть партнёры и по производству биндерной ленты, и по связующему. По словам Анатолия Гайданского, отечественное связующее по некоторым ключевым параметрам превосходит иностранное.

С целью формирования отечественного рынка ПКМ в России создано АО "НПК "Химпроминжиниринг" - управляющая компания дивизиона госкорпорации "Росатом" по композитным материалам, которая под брендом Umatex Group объединяет научно-исследовательский центр и предприятия по производству высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон и тканей на их основе. Компания ведёт разработку технологий, цель которых использовать в программе МС-21 углеродное волокно, ткань и предварительно пропитанные материалы только российского производства.