ПАК ФА: стекло кабины – крепче стали

В России разработаны новые технологии изготовления остекления кабин военных и гражданских самолётов из силикатного стекла. Такие изделия легче и прочнее, чем если бы они были изготовлены из ранее применявшихся органических материалов.

Среди исследователей космоса уже не первый год не утихает спор вокруг оценки безопасности и эксплуатации Международной космической станции. Дело в том, что на российском сегменте МКС установлено 13 иллюминаторов. Во время совместных обсуждений работы МКС американские "партнёры" предлагают закрыть эти иллюминаторы глухими заглушками из-за опасности возникновения дефектов в стекле вследствие ударов микрометеоритов, мотивируя такое предложение тем, что повысится безопасность станции. Но представитель российской стороны — директор Научно-исследовательского института технического стекла (НИТС), заслуженный деятель науки, вице-президент Академии инженерных наук РФ, доктор технических наук, профессор Владимир Солинов стоит на своём — на протяжении многих лет остаточная прочность после ударов космических микрочастиц, сохранилась, а различные излучения и прочие угрозы космоса никак не отразились на прочности созданных в институте иллюминаторов и безопасности экипажа, поэтому причин ограничивать наблюдение за нашей планетой и «затемнять» работу космонавтов в российских модулях орбитальной станции нет.

Иллюминаторы для орбитальной станции — лишь одно из немногих изделий, выпускаемых в НИТС. Основная же часть работы учёных и технологов института, расположенного на юго-западе Москвы, связана с созданием изделий конструкционной оптики, остекления, или как здесь говорят - «сложных прозрачных оптических систем» для боевых самолётов четвёртого и пятого поколений.

Силикат или органика

Силикатное стекло — материал с уникальными свойствами. Его прозрачность, теплостойкость, прочность, способность использования различных покрытий — делают его незаменимым для остекления летательных аппаратов. Но почему при остеклении кабин самолётов за рубежом и у нас преимущество отдавалось органике? Только по одной причине — она легче. Ещё говорят, что силикатное стекло слишком хрупкое.

В последние несколько лет разработки материаловедов НИТС позволили кардинально изменить представление о силикатном стекле, как о хрупком материале. Современные методы упрочнения позволяют придать остеклению современных боевых самолётов прочность достаточную, чтобы выдержать удар птицы весом около двух килограмм при скорости 900 км/час.

«Сегодня способ упрочнения в поверхностном слое исчерпал себя. Пора изменять внутреннюю структуру стекла, её дефектность», — говорит Владимир Солинов. Этому, как ни странно, способствуют введённые Западом санкции. Дело в том, что даже в «досанкционные» времена зарубежные фирмы по решению НАТО не поставляли в Россию силикатные стёкла улучшенного качества, используемые там для специальных целей. Это вынуждало НИТС использовать архитектурно-строительное стекло. Хотя российские производители выпускают миллионы квадратных метров такого стекла, его качество не подходит для использования в авиации.

Выход один - импортозамещение. В Москве был начат новый проект по проведению НИОКР и проектированию принципиально нового для стекольной отрасли оборудования. На нём и будут отрабатываться все процессы синтеза стекла.

Tatiana_KiselyevaОсуществлять проект доверено молодому ученому Татьяне Киселёвой. 26-летняя выпускница Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева руководит лабораторией, в 2015 году защитила кандидатскую диссертацию. На кафедре стекла в «Менделеевке» Татьяна изучала свойства прозрачной брони. Один из её профессиональных вызовов — разработать стекло, которое по своим свойствам превосходило бы один из лучших мировых аналогов — стекло «геркулит», которое Россия пока не выпускает.

В основу проекта положен новый оригинальный способ варки стекла. В 2015 году в лаборатории получены образцы стекла, конструкционная прочность которых в три раза превосходит аналоги, изготовленные традиционным методом, в совокупности с имеющимися способами упрочнения получается стекло, прочность которого в несколько раз превышает многие сорта легированной стали, причём изделия из такого стекла - более лёгкие.

Фонарь для ПАК ФА

Представьте себе пакет из нескольких пластин силикатного стекла, которым необходимо придать обтекаемую форму переднего козырька сверхзвукового самолёта.

Ещё около сорока лет назад специалисты НИТС разработали технологию глубокого моллирования, когда в специальную печь закладывается несколько слоев стекла и в течение нескольких часов при высокой температуре под собственным весом оно изгибается, приобретая нужную форму и кривизну. При необходимости специальные механизмы подталкивают заготовку, заставляя её изгибаться по специальному графику.

По этой технологии на истребителе МиГ‑29 заменён фонарь, состоявший ранее из трёх стёкол, на одно беспереплётное стекло из силиката.

С ростом скоростей возрастали требования по теплостойкости остекления, с которыми органическое стекло уже не могло справиться. Одновременно ужесточались оптические требованиями и требования по обзорности. Несколько лет назад в сотрудничестве с Компанией «Сухой», Объединенной авиастроительной корпорацией была разработана новая технология по выпуску стекла для ПАК ФА.

glassВ результате лобовое стекло самолёта ПАК ФА по размеру почти в два раза превосходит размер козырька МиГ‑29, а форма изделия из классического цилиндра превратилась в сложный 3D формат.

Остекление фонаря самолёта ПАК ФА из силикатного стекла представляет собой сложную многофункциональную конструкцию, изготовление которой потребовало решения новых технических и технологических задач по использованию уникального оборудования (пятикоординатного станка и роботизированной установки «Кука») для сокращения ручного труда, а также разработки и изготовления большого количества технологической и испытательной оснастки. В разработке конструкции многофункционального силикатного остекления принимал участие большой коллектив специалистов: НИТС, ОКБ Сухого, КнААЗ им. Ю.А. Гагарина, НИАТ и др.

Изготовление комплекта из 33-х наименований технологической оснастки и испытательного оборудования осуществлено специалистами КнААЗ.

Сложные профили крупногабаритного силикатного остекления потребовали неоднократной доработки моделей остекления для повышения технологичности изготовления. Специалистам НИТС – разработчикам и изготовителям силикатного остекления фонарей, – необходимо выполнить ряд сложных задач по организации серийного выпуска основных конструкционных оптических материалов и сокращению длительности технологического цикла изготовления остекления до 20-30 рабочих дней.

Результат — впервые в мире из силикатного стекла изготовлена лобовая и откидная часть фонаря (на фото) самолёта ПАК ФА в 3D формате. При этом вес этих частей оказался ниже, чем если бы они были изготовлены из органического стекла.

Достигнутые результаты дали толчок к оснащению подобным остеклением самолётов других заводов и КБ, входящих в ОАК. Сразу же появилась необходимость в замене органического остекления на силикатное, например, на самолётах Як‑130, Су‑35С, МиГ‑31, МиГ‑35.




К современному стеклу предъявляют несколько ключевых требований, среди которых, кроме высокой прочности — оптическая прозрачность, высокое светопропускание, увеличивающие диапазон визирования антибликовые свойства, защита от воздействия солнечной радиации и других излучений, антиобледенительные свойства, обеспечивающие равномерное удельное сопротивление электрообогрева. Всё это достигается с помощью нанесения покрытий аэрозольным, вакуумным или магнитронным способом. Мощное и сложное оборудование, испаряющее металл и осаждающее его на поверхность стекла, позволяют НИТС наносить любые покрытия, в том числе снижающие радиолокационную заметность самолёта.

Этот набор свойств позволяет говорить об изделии остекления как о сложной оптической системе, а высокие прочностные качества стекла, составляющего часть кабины самолёта, создали новую область науки и техники и ввели в обиход термин «изделия конструкционной оптики» (ИКО).

glass2Новые технологии

Когда откидную часть фонаря для ПАК ФА — выгружают из печи для дальнейшей обработки, она мало чем напоминает будущее изделие. При моллировании стекла края заготовки деформируются и удалить их с крупногабаритной заготовки, да ещё имеющей сложную геометрическую форму, алмазным инструментом невозможно. На помощь пришёл лазер.

Луч лазера роботизированного комплекса не только обрезает заготовку согласно заложенной в него программе, но и, оплавляя кромку, повышает прочность края изделий, предотвращая появления трещин. Лазерная резка изделий крупногабаритной 3D формы получила патент в марте 2012 года. Лазерный луч используют также для нанесения отсечек в электропроводящем слое на поверхности стекла, создавая зоны обогрева. После обработки лазером заготовка всё больше и больше становится похожа на фонарь ПАК ФА.

После резки каждую заготовку подвергают обработке на пятикоординатном станке. Уникальный ложемент позволяет обеспечить на ней нулевые исходные монтажные напряжения. Шлифовка и полировка поверхности стекла при необходимости осуществляется пока только вручную. Разработанные технологии — гордость института.

Совсем недавно готовый стеклоблок при помощи герметика монтировался в металлическую раму. Переход на композиционные материалы разработки НИТС позволил снизить вес изделия на 25%, повысить ударостойкость и ресурс остекления до уровня ресурса планера. Замену остекления стало возможно проводить в полевых условиях. Весь цикл производства ИКО длится около полутора месяцев.

Большая часть изделий идёт на заводы-изготовители ОАК, часть — на ремонтные заводы для модернизации, часть — на аэродромы ВВС, в так называемые аптечки. Основная часть продукции НИТС выполняется в рамках государственного оборонного заказа.

При толщине стекла в самолете Ту-204 — 17 мм, а у Boeing 787 — 45 мм, пассажирский «Туполев» выдерживает скорость соударения с птицей в 660 км/час, а Dreamliner — 648 км/час

В НИТС неохотно делятся сведениями о характеристиках остекления для боевых самолётов. Но ясно, что стёкла, разработанные для кабин отечественных гражданских самолётов по ряду параметров превосходят импортные.

Стеклянные гвозди

Во всем мире разработанные для авиастроения технологии, позволяющие изготавливать стёкла требуемой прочности, используются и во многих других отраслях народного хозяйства.

Несколько лет назад, чтобы доказать высокую прочность силикатного стекла, в институте сделали стеклянные гвозди. Забивали молотком. Они могли бы найти применение в изделиях с антимагнитными свойствами. Также эти гвозди испытывались взамен струбцин при склейке корпусов яхт. Но гвозди остались только экзотикой.

Теперь никому не надо доказывать высокие показатели прочности стекла — все работы НИТС — свидетельство высокого качества этого древнейшего и, в тоже время, совершенно нового материала.

Директор института Владимир Солинов использует все свои возможности для доказательства необходимости обеспечения высокой прочности стекла, в том числе и архитектурно-строительного. Он является членом Российско-американской комиссии по безопасности в космосе, о которой шла речь в начале этой статьи, а также Комиссии по градостроению при Государственной Думе — ведь при строительстве современных зданий все большая часть материалов — стекло. А это значит, что разработанные для авиации технологии и материалы в скором будущем будут делать нашу жизнь более комфортной и безопасной.

По материалам журнала ОАК "Горизонты", №1 (9), 2016 г.

Рейтинг статьи:   +1+2+3+4+5 (оценок - 2, средняя - 5,00)
Загрузка...


ДРУГИЕ СТАТЬИ НА САЙТЕ




СТАТЬИ ПО ТЕМЕ