За счёт чего МС-21 выиграет конкурентную борьбу у существующей дуополии


На новом отечественном самолёте МС-21 используется крыло, изготовленное из углепластика. Это первый случай не только для гражданской авиации России, но и для среднемагистральных лайнеров во всём мире. Мы решили разобраться, какие выгоды даёт эта новая технология в авиастроении и почему она раньше не использовалась для подобного класса воздушных судов.

Композиты стали в настоящее время мировым трендом авиастроения. В каждой новой марке гражданского лайнера их использование постоянно увеличивается. Самолёты Boeing 787 и Airbus 350XWB больше чем наполовину состоят не из металла. Однако в 1990–2000-х годах существовало устойчивое мнение, что композиты выгодно использовать только на больших летательных аппаратах — широкофюзеляжных дальнемагистральных лайнерах. Считалось, что лишь тогда эффект от применения этих новых, но достаточно дорогих (на тот момент) конструкционных материалов даст положительный экономический эффект. Для менее крупных, хотя и существенно более массовых узкофюзеляжных самолётов композиты применялись лишь для изготовления элементов механизации крыла, обтекателей и лючков.

В проекте МС‑21 конструкторы корпорации «Иркут» решили показать, что сейчас на дворе уже иное время. И использование, например, композита для изготовления крыла среднемагистрального самолёта, каким является МС‑21, даст существенный выигрыш сразу по нескольким параметрам, включая и суммарную стоимость лайнера.

«Это был комплексный подход, просчитывался эффект сразу по многим параметрам, — говорит технический директор — директор департамента развития индустриальной модели ОАК Юрий Тарасов. — После изучения всего спектра существующих технологий, этапов математического моделирования и натурных испытаний элементов конструкции, получения экспертных оценок институтов, экономических расчётов был сделан окончательный выбор в пользу углепластикового крыла, изготавливаемого методом вакуумной инфузии, без использования автоклавов».

Удлинение

Использование углепластика в конструкции позволило изготовить для МС‑21 крыло, имеющее большее удлинение и тонкий профиль, а следовательно — более низкое лобовое сопротивление. С толщиной всё просто: чем крыло тоньше (при сохранении прочих параметров), тем меньше аэродинамическое сопротивление при нулевой подъёмной силе.

А вот удлинение крыла (отношение размаха крыла к средней хорде крыла) влияет на другую составляющую лобового сопротивления — индуктивное сопротивление, создаваемое срывающимся с конца крыла вихрем. Этот тип сопротивления вносит существенный вклад при полёте на малой скорости. Если бы крыло самолёта было бесконечным, то индуктивное сопротивление отсутствовало бы. Но это идеальный случай. В жизни с индуктивным сопротивлением борются либо устанавливая вертикальные законцовки крыла (всевозможные винглеты, шарклеты и пр.), либо увеличивая длину крыла.

Удлинение у крыла из алюминия на лайнерах прежних поколений было в районе 8–9. «Сделать крыло длиннее не получалось, ведь алюминий — мягкий металл, и чтобы крыло из него не выгибалось под действием полётных нагрузок, иными словами, для обеспечения его жёсткости, прошлось бы увеличивать толщину крыла, — поясняет Юрий Тарасов. — В результате такое алюминиевое крыло получилось бы такой толщины, что его аэродинамическое сопротивление съело бы весь выигрыш от большого удлинения. А вот углепластик — более жёсткий материал. Поэтому крылья из него могут иметь удлинение и 10, и 11, и даже больше».

Для углепластикового крыла МС‑21 удалось достичь удлинения 11,5. Только за счёт этого аэродинамическое качество выросло на 5–6%. В целом же композитное крыло большого удлинения с тонким профилем позволит МС‑21 добиться снижения расхода топлива до 8% по сравнению с существующими аналогами. За свой жизненный цикл (около 20 тыс. часов) среднемагистральный самолёт с «классическим» алюминиевым крылом сжигает 140 тыс. т горючего. Только за счёт «чёрного крыла» на каждом МС‑21 можно будет сэкономить за тот же налёт более 11 тыс. т горючего! Эта цифра станет серьёзным аргументом при сравнении МС‑21 с его металлическими одноклассниками».

Лёгкость

Композиционные материалы обладают также лучшими удельными характеристиками по сравнению с алюминием. Теоретически использование композитов вместо металлов ведёт к сокращению массы на 15%. Однако, по мнению экспертов, применение композитов в конструкции Boeing 787 и Airbus 350XWB не привело к изначально ожидавшемуся снижению их массы. «Сегодняшние реалии таковы, что вес конструкции этих самолётов остался таким же, как если бы они были сделаны из металла, — говорит директор ЦАГИ Сергей Чернышев. — Главная причина в том, что у авиастроительных компаний не было тогда достаточных знаний для проектирования композитных конструкций».

Читайте также: Почему у МС-21 нет винглетов

Именно из-за этого незнания разработчики часто использовали для конструкций из композитов больший запас прочности, чем на самом деле требовался. «При проектировании конструкции из алюминия запас прочности сейчас не превышает 1,5, — рассказывает Юрий Тарасов. — При проектировании же конструкции из углепластика поначалу этот запас нередко доходил до 5, или даже 7. По мере изучения свойств композитов, запасы прочности постепенно снижаются, конструкции из них получаются всё более лёгкими». Тем самым использование композитов в конструкции крыла МС‑21 стало выгодным и за счёт снижения массы конструкции.

«Композитные» лайнеры имеют также и эксплуатационные преимущества. Металлические самолёты подвержены усталости, поэтому их проектируют на определенное количество циклов. Композиционные материалы гораздо более устойчивы к знакопеременным нагрузкам, коррозия им не опасна, поэтому они долговечнее металлов.

Удешевление

Композиты долгое время были достаточно дорогим удовольствием. «Килограмм дюрали для самолёта стоит около $3, килограмм углепластика, из которого изготавливались крыло и фюзеляж Boeing 787, — порядка $400, — поясняет Юрий Тарасов. — Однако использование более дорогого материала окупается его уникальными свойствами».

Читайте также: МС-21 - лайнер с "чёрным" крылом

Однако даже выбор технологии для производства композитного крыла может снизить суммарную себестоимость лайнера. В настоящее время многие процессы изготовления деталей автоматизированы. Но крайне сложно автоматизировать сборочный труд.

«Один из путей сокращения трудоёмкости производства самолёта — его сборка из интегральных конструкций, — уверен технический директор ОАК. — То есть на сборку надо отправлять не отдельные детали, а уже готовые сборочные единицы. Для МС‑21 из Ульяновска в Иркутск приходит уже готовая конструкция — консоль крыла. Тем самым не нужно тратить труд высококвалифицированных специалистов предприятия-финалиста на сборку самого крыла, как это было бы в случае его изготовления из алюминия». По словам Тарасова, один только шпангоут клёпаной конструкции из алюминия состоит из 120 деталей, которые нужно изготовить, а самое главное — собрать.

На предприятии «АэроКомпозит-Ульяновск» проходит полный технологический цикл изготовления консоли крыла МС‑21 — от выкладки вспомогательных материалов до сборки изделия. Все этапы работ максимально автоматизированы. Отказ от автоклавов в пользу метода вакуумной инфузии также позволил упростить процесс, сократить его время, а следовательно, и снизить себестоимость производства.

Источник: журнал ОАК "Горизонты", №2, 2017 г.

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


ДРУГИЕ СТАТЬИ НА САЙТЕ





СТАТЬИ ПО ТЕМЕ