Композитное крыло среднемагистрального самолёта МС-21 выполнено из российских композиционных материалов. 29 декабря 2022 года Росавиация выдала корпорации «Иркут» одобрение главных изменений типовой конструкции самолёта в части двигателя ПД-14 и крыла из отечественных ПКМ.
В феврале 2026 года ведомство также одобрило применение российских полимерно-композиционных материалов (ПКМ) в силовых элементах кессонов киля и стабилизатора. Это решение закрепило использование отечественных композитов в конструкции оперения и фактически подвело итог работам по замене зарубежных материалов в ключевых элементах планера.
Работы по созданию собственных углеродных тканей и связующего для программы МС-21 велись с ранних этапов проекта параллельно с использованием зарубежной продукции. На начальном этапе были опробованы материалы компании Hexcel, позднее выбор поставщика волокна остановился на американском подразделении бельгийской Solvay. После 2018 года, когда поставки этой продукции прекратились, а выпуск самолёта встал на длительную паузу, работа по отечественным композиционным материалам была ускорена.
В конструкции МС-21 доля ПКМ достигает 30-40%. К наиболее нагруженным элементам относятся кессон крыла, центроплан и элементы механизации. Кессон формируют верхние и нижние панели, а также лонжероны, воспринимающие основные нагрузки. Использование композитов позволило существенно улучшить аэродинамические характеристики самолёта.
Углепластик обладает более высокой жёсткостью по сравнению с алюминиевыми сплавами и меньше деформируется под нагрузкой, его применение позволяет получить удлинение крыла 11,5, тогда как у однотипных узкофюзеляжных самолётов с металлическим крылом этот показатель обычно не превышает 10. Большое удлинение тонкого крыла суперкритического профиля МС-21 снижает индуктивное сопротивление, которое формируется на концах крыла из-за вихревых потоков, особенно заметных на крейсерских скоростях.
Снижение массы конструкции и улучшение аэродинамической эффективности дополнительно влияют на расход топлива. В результате его снижение оценивается до 8% по сравнению с зарубежными моделями этого класса воздушных судов. Для авиакомпаний это означает уменьшение эксплуатационных затрат при сопоставимой дальности и полезной нагрузке, а также рост экономической эффективности рейсов на маршрутах средней протяжённости.
В силовых элементах конструкции МС-21 применяются углеродные волокна серии UMT, выпускаемые дивизионом UMATEX Госкорпорации «Росатом». В серийной номенклатуре используются марки UMT40, UMT45 и UMT49 с пределом прочности* при растяжении 4,0-4,9 ГПа и модулем упругости* 260 ГПа. Для элементов с повышенными требованиями по жёсткости применяются высокомодульные волокна UMT400, UMT430 и UMT530 с модулем упругости 400-530 ГПа.
Для выкладки композитных панелей и лонжеронов применяются несколько типов тканей. Равнопрочные ткани саржевого переплетения формируют перпендикулярные слои с ориентацией 0°/90°. Однонаправленные – содержат более 85% волокон в одном направлении и используются в силовых поясах. Мультиаксиальные ткани серии ACM содержат заранее ориентированные слои под разными углами и сокращают время подготовки сложных элементов.
Производство кессонов крыла организовано на площадке компании «АэроКомпозит» в Ульяновске по технологии безавтоклавной вакуумной инфузии. «АэроКомпозит» совместно с научными коллективами, включая специалистов из МГУ, подбирал, адаптировал и проводил квалификацию волокон UMATEX и смол под конкретные требования конструкции и собственную инфузионную технологию. Сухие углеродные ткани выкладываются в форму, после чего помещаются в мешок, куда под воздействием вакуума втягивается полимерное связующее.
По механическим параметрам российские материалы соответствуют ранее применявшимся иностранным аналогам. Волокно UMT49 с прочностью 4,9 ГПа сопоставимо с Toray T700S, а по модулю упругости российская марка превосходит японский материал – 260 ГПа против 230 ГПа. Более высокому классу Toray T800S соответствуют направления дальнейшего развития отечественной линейки углеродных нитей. У T800S прочность достигает 5,49 ГПа при упругости 294 ГПа, поэтому для выхода на аналогичный уровень в России расширяется производство высокомодульных волокон.
Специалисты UMATEX разработали сверхвысокопрочное углеродное волокно с прочностью до 5,2 ГПа. Технология производства была внедрена в Алабуге. На основе нового волокна и связующего был создан препрег, который применяется при изготовлении силовых элементов МС-21.
| Наименование материала | Предел прочности при растяжении, ГПа | Модуль упругости при растяжении, ГПа | Предельная деформация, % | Линейная плотность, текс | Объёмная плотность, г/см³ |
|---|---|---|---|---|---|
| UMT40‑3K‑EP/VE | 4,0 | 260 | 1,5 | 190 | 1,77 |
| UMT45‑12K‑EP/VE | 4,5 | 260 | 1,7 | 780 | 1,78 |
| UMT49‑12K‑EP/VE | 4,9 | 260 | 1,8 | 760 | 1,78 |
| UMT400‑12K‑EP | ≥ 4,2 | ≥ 400 | ≥ 1,1 | 710 | 1,82 |
| UMT55‑12K‑EP | 5,2 | 290 | 1,8 | 405 | 1,77 |
Во время испытаний в ЦАГИ кессон крыла из отечественных материалов выдержал статические нагрузки, превышающие расчётные на 150%. Иными словами, конструкция сохраняла несущую способность при нагрузке в 2,5 раза выше расчётной. Такой результат относится не только к свойствам волокна, но и к технологии переработки, параметрам связующего и схеме укладки слоёв.
Производственная кооперация в программе распределена между несколькими участниками. UMATEX выпускает углеродное волокно, ткани, ровинги и препреги. На предприятии «Алабуга‑Волокно» (ОЭЗ «Алабуга», Татарстан) налажено производство прекурсоров полиакрилонитрила (ПАН) – ключевого промежуточного сырья для изготовления углеродного волокна, и само волокно в количестве более 1400 тонн в год. Завод углеродных и композитных материалов в Новоуральске специализируется на высокомодульных марках. В работах по связующим (эпоксидным смолам) участвовали специалисты МГУ имени М. В. Ломоносова.
Программа импортозамещения углеродных композитов стала примером успешной реализации полной технологической цепочки – от создания сырьевой базы (ПАН‑прекурсор) и углеродного волокна до изготовления крупногабаритных силовых конструкций. По механическим характеристикам российские углеродные волокна соответствуют уровню ведущих мировых промышленных материалов.
* Справочно
- Модуль упругости (модуль Юнга, E) – характеристика жёсткости материала. Показывает, насколько материал сопротивляется упругой деформации при нагрузке. Измеряется в паскалях (Па), чаще – в гигапаскалях (ГПа).
- Предел прочности при растяжении (или просто прочность на растяжение) – максимальное напряжение, которое материал выдерживает перед разрушением. Также измеряется в ГПа.
Источники
- Компания Росатома UMATEX презентовала на МАКС‑2021 композиты для авиастроения
- Углекомпозитные материалы и изделия. Углеродное волокно UMT
- Разница между T300, T700 и T800 углеродным волокном
- Материал о прочности углеволокна
- Технические характеристики углеродного волокна UMT
- UMATEX запустил новую линию по производству
- Torayca T700S. Technical Data Sheet
- Продукция: углеродное волокно
- Каталог продукции UMATEX
- Пресс‑центр: истории о новом крыле МС‑21
Артём Кириллов
для сайта «Авиация России»
Другие статьи по теме
(1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...