Вертолёт, 2000 № 01 - [12]
Рис. 1. Весовые коэффициенты лопастей несущих винтов k*>л с учетом различий в удлинениях лопастей
Лопасть вертолета CH-47
Прямоугольные в плане лопасти несущего винта были «навязаны» особенностями технологии изготовления лонжеронов металлических лопастей. Это, прежде всего, прессование в виде замкнутого полого профиля постоянного сечения по длине и требования необходимой усталостной прочности. Переход к серийному производству тоже привел к необходимости упрощения технологии, что сказалось прежде всего на выборе геометрии.
Если же говорить о весовом совершенстве вертолета и тяговых характеристиках несущего винта, более целесообразной является трапециевидная в плане лопасть, которая к тому же совсем необязательно должна иметь четко выделенную конструктивно-технологическую часть – лонжерон. Композиционные лопасти, изготовленные по укладочной технологии, легко переносят неизбежное увеличение переменных напряжений, возникающее в полете. Кроме того, технология укладки позволяет создавать лопасти различной геометрии, в том числе и трапециевидные, а также варьировать формы концевой ее части (законцовки).
Изготовление трапециевидных лопастей по укладочной методике технологических проблем не вызывает. При использовании же технологии намотки (если это вообще возможно) могут возникнуть большие сложности.
Стремление применять композиционные материалы при изготовлении лопастей вертолетов обусловлено необходимостью решения следующих задач:
- уменьшения веса лопастей и конструкции вертолета в целом и нагрузок на втулки;
- повышения усталостной прочности конструкции.
Однако нельзя сбрасывать со счетов и проблему экономической целесообразности данного решения.
Несомненно, что для боевых вертолетов, эксплуатирующихся в условиях больших скоростей и перегрузок, в будущем желателен переход на композиционные конструкции. Несомненно также, что использование композитов в конструкции средних и тяжелых вертолетов также может дать положительный эффект и выигрыш в весовом отношении.
Для небольших же вертолетов гражданского применения, скорости которых сравнительно невелики, нет необходимости применять композитные лопасти. Это экономически нецелесообразно.
Не исключено, что какую-то нишу могут занять слоистые конструкции из листовых материалов. Возможно, это позволит создать менее дорогие лопасти с большими ресурсом и надежностью. Разумеется, последнее положение требует серьезной конструкторской и технологической проработки.
В заключение можно уверенно сказать, что композитные лопасти лонжеронной конструкции, спроектированные под намоточную технологию, не имеют преимуществ по ресурсам и значительно дороже лопастей, изготавливаемых по укладочной технологии. Кроме того, требуется значительно больше усилий и времени для их внедрения, что ставит под сомнение целесообразность применения данной технологии.
Зиновий ШНУРОВ, начальник отдела МВЗ им. М. Л. Миля, канд. техн. наук, лауреат Государственной премии
ТЕХНОЛОГИЯ
Качество композитных конструкций
Повысить качество плоскостных элементов конструкций из композиционных материалов (КМ), изготавливаемых способами послойной выкладки с последующим прессованием при повышенной температуре, можно только применяя специальные технологические приемы. Один из приемов связан со способами реализации натяжения наполнителя из ткани или волокна при изготовлении силовых агрегатов летательных аппаратов. Другой прием позволяет осуществлять одновременный прогрев материалов на внутренней поверхности при переменной толщине композита в конструкции, тем самым обеспечивая тепловой режим в технологическом процессе полимеризации и, следовательно, качество изделия.
Известно, что наилучшими свойствами композиционные материалы обладают в конструкциях, которые изготавливаются методом непрерывной намотки. В этом случае обеспечиваются оптимальные режимы укладки слоев с необходимым натяжением волокон, что и обеспечивает материалу максимальные механические свойства. Однако для силовых плоскостных деталей планера самолета и вертолета типа лонжеронов, нервюр, обшивок используемая технология изготовления и соответствующая ей технологическая оснастка не обеспечивают необходимое натяжение волокон, что приводит к существенному снижению свойств материала. Это снижение свойств прогрессирует с увеличением толщины материала, так как в этом случае при прессовании изделий сильнее сказывается отклонение волокон от прямолинейной формы. Кроме того, при отсутствии натяжения надавливание волокон соседних слоев, уложенных под разными углами, приводит к дополнительному их искривлению по отношению к необходимому направлению. Недостаток, имеющий место в используемых способах изготовления деталей, можно устранить, если использовать прием натяжения волокон в слоях с различными углами укладки. Поэтому разработка новых технологических приемов и совершенствование известных методов повышения качества композитных изделий способствуют снижению массы и увеличению надежности конструкции.
Прием натяжения волокон на примере лонжеронов крыльев самолета рассматривался довольно часто. Однако, в основном, речь шла о натяжении волокон, преимущественно имеющих направление ±45°-90° в поперечном сечении стенки лонжерона. Так как лонжерон является основным силовым элементом крыла, воспринимающим изгибающий момент, то толщина полок может достигать существенных величин. Это скажется на распределении напряжений по толщине, на плотности структуры при прессовании и на межслоевой прочности. Сложнее всего осуществить натяжение продольных волокон полок лонжерона, которые являются основными нагруженными элементами. От их свойств и качества зависит работа крыла в целом. Эта процедура несколько упрощается при изготовлении элементов из препрега, когда связующее находится в полуотвержденном состоянии. Рассмотрим вариант разработки технологической оснастки для производства длинномерных силовых элементов и некоторые рекомендации по ее изготовлению.
