Демонстрационная панель размером 18 на 12 футов, представленная на Парижском авиасалоне, оснащена обшивкой с интегрированными стрингерами, обеспечивает значительную экономию средств и обладает улучшенными характеристиками.
В понедельник 17 июня компания Spirit AeroSystems (Уичито, штат Канзас, США) представила на Парижском авиасалоне 2019 новую технологию композиционных материалов, разработанную специально для крупномасштабного производства фюзеляжей нового поколения для узкофюзеляжных самолетов.
Технология была представлена на выставке в виде демонстрационной панели фюзеляжа размером 18 на 12 футов под названием ASTRA (что расшифровывается как «передовая структура конструкции и революционная архитектура»), оснащенной интегрированными стрингерами, изготовленными из новейших материалов с помощью инновационного процесса, при этом экономия средств составляет 30% по сравнению с другими современными конструкциями и подходами к производству.
«На мой взгляд, это отличный пример того, на что способна компания Spirit», – говорит Эрик Хейн, главный управляющий по исследованиям и технологиям в компании Spirit AeroSystems.
Какими будут фюзеляжи будущего? Задняя часть панели фюзеляжа ASTRA от компании Spirit со стрингерами. Задача состояла в том, чтобы создать панель, полностью изготовленную из композиционных материалов, которая была бы на несколько слоев тоньше производимых ранее панелей фюзеляжей, но при этом сохраняла ту же прочность.
Хейн рассказывает, что почти два года назад компания начала рассматривать потенциальные требования к фюзеляжам узкофюзеляжных самолетов следующего поколения и определила для себя задачи по проектированию и выбору материалов и процессов, которые необходимо выполнить, чтобы композиционные материалы стали рациональным выбором для производителей летательных аппаратов.
По его словам, в первую очередь, необходимо рассмотреть темпы производства. Компании Boeing и Airbus рассчитывают на производство 60-100 узкофюзеляжных самолетов нового поколения на замену моделей 737 и A320. Самолеты, в которых широко применяются композиционные материалы, Boeing 787 и Airbus A350, в настоящее время производятся в объеме 14 и 10 в месяц соответственно.
Производственная технология нового поколения должна будет отвечать скорости производства, превышающей возможности нынешних технологий в 4-10 раз.
Во-вторых, Хейн отмечает, что используемые в настоящее время композиционные материалы и конструкции, применяемые в узкофюзеляжных самолетах непомерно тяжелые и дорогие по сравнению с алюминием. Таким образом, чтобы сделать обшивку фюзеляжа нового поколения из композиционных материалов более конкурентоспособной, ее нужно сделать на несколько слоев тоньше, при этом не забывая о соответствии всем действующим требованиям по ударостойкости и нагрузкам.
Композиционные материалы нового поколения на выставке. Передняя часть панели ASTRA от компании Spirit, впервые представленная на Парижском авиасалоне 2019.
Поэтому последние 18 месяцев компания Spirit AeroSystems занималась исследованием компромиссных решений и установила расчетные параметры для широкого спектра комбинаций материалов и процессов, призванные оценить, какие комбинации наиболее эффективны в достижении целей по объемам производства и ценам, указанным Хейном. Что касается объемов, компания рассчитывает на 60 готовых к эксплуатации летательных аппаратов в месяц.
Предполагается, что стоимость окажется сопоставимой с нынешними металлическими материалами. Хейн говорит, что в ходе исследования компромиссных решений рассматривались препреги, отвержденные в автоклаве, инфузия жидкой смолы (включая литьевое прессование смолы) и термопластичные композиционные материалы. Все они показали большой потенциал для использования в узкофюзеляжных самолетах нового поколения.
«Мы считаем, что в будущем самолеты из композиционных материалов можно будет производить в больших объемах и достаточно дешево», – говорит Хейн.
Комбинация, выбранная компанией Spirit AeroSystems для демонстрационной панели ASTRA, включала в себя препреги, отвержденные в автоклаве, поскольку они способствуют достижению установленных целей по стоимости и объемам производства. Однако, чтобы добиться поставленных целей, необходимо было по-новому взглянуть на конфигурацию оснасти и конструкцию панели.
Чтобы снизить затраты на оснастку, компания Spirit AeroSystems отделила формообразующую поверхность от матрицы. Таким образом компания сделала выбор в пользу более дешевой металлической матрицы, а затем разработала незакрепленную бисмалеимидную формообразующую поверхность, расположенную на данной конструкции. Это позволило сконцентрировать вложения в пресс-форму на главном – формообразующей поверхности.
Самым инновационным аспектом панели можно назвать конструкцию обшивки с интегрированными стрингерами, разительно отличающуюся от традиционной конструкции обшивки/стрингеров фюзеляжей из композиционных материалов. Как в 787, так и в A350, стрингеры фюзеляжа изготавливаются отдельно, а затем вставляются в крепления/пазы в обшивке. Затем их обматывают препрегом из однонаправленного углеродного волокна с помощью станка для автоматизированной выкладки волокна, формируя слой обшивки. Затем всю конструкцию отверждают в автоклаве. Фюзеляж 787 изготавливают из цилиндрических отсеков. Фюзеляж A350 изготавливают из панелей.
Хейн говорит, что одной из сложностей с нынешней конструкцией обшивки/стрингеров является то, что каждый стрингер, даже будучи отвержденным вместе с обшивкой, является отдельной деталью, что создает зазор между стрингерами. Чтобы решить эту проблему, зачастую композиционный материал из углеродного волокна толщиной в несколько миллиметров наносят на внутреннюю поверхность обшивки фюзеляжа, чтобы заполнить зазоры между стрингерами, тем самым обеспечивая их неразрывность. К тому же, из-за этого на концах стрингеров, как правило, устанавливают крепежные детали.
Обшивка с интегрированными стрингерами. При приближении можно рассмотреть технологию сплошных «листовых стрингеров», используемую в панели ASTRA от компании Spirit.
В панели ASTRA эта проблема решается тем, что Хейн называет «листовой технологией стрингеров».
Благодаря этой технологии стрингеры изготавливаются из цельнолистовых препрегов из углеродного волокна, сначала размещаемых на формообразующей поверхности фюзеляжа с пазами. Затем с помощью вакуумного формования лист протягивается в каналы стрингеров, образуя гофрированную панель, подкрепленную стрингерами.
Потом, как это принято в настоящее время, обшивку фюзеляжа обрабатывают с помощью станка для автоматизированной выкладки волокна с последующим отверждением в автоклаве. В результате получается панель фюзеляжа с цельной внутренней обшивкой с полностью интегрированными стрингерами.
Утвердив такую стратегию по оснастке и конструкцию панели, компания Spirit AeroSystems приступила к испытаниям в сотрудничестве с Национальным институтом авиационных исследований (NIAR) при Уичитском университете с целью оценки различных комбинаций волокон в обшивке и листовых стрингерах. Компания провела испытания на стойкость к ударным нагрузкам, прочность, усталостные напряжения, воздействие окружающей среды, удары молний, воспламеняемость, способность к дымообразованию, токсичность и допустимые повреждения. Хейн говорит, что разработанная конструкция фюзеляжей ASTRA прошла все испытания на прочность и отвечает требованиям к уменьшенной толщине слоев, установленных компанией.
Панель ASTRA, выставленная на Парижском авиасалоне, с обшивкой из препрегов из углеродного волокна T1100/3960 от компании Toray (Токио, Япония), нанесенных с помощью станка для автоматизированной выкладки волокна от компании Electroimpact (Мекилтео, штат Вашингтон, США), также обеспечившего радиус выкладки в 6 дюймов по углам дверного проема. Недавно компания Spirit завершила собственную программу по определению допустимых значений для данного материала, что позволило Spirit дать своим клиентам определенное преимущество. Гибкость конструкции обеспечивается материалами, из которых изготавливаются стрингеры: плетеной квазиизотропной углеродной ткани QISO от компании A&P Technology (Цинциннати, штат Огайо, США), предварительно пропитанной эпоксидной смолой 3960 от компании Toray; или однонаправленных лент из препрега из углеродного волокна T1100/3960 от Toray.
Хейн говорит, что конструкция фюзеляжа ASTRA, разработанная компанией Spirit AeroSystems, оптимально подходит для фюзеляжей, изготовленных из панелей, но ее также можно адаптировать и к фюзеляжам из цилиндрических отсеков. Хейн считает, что компания Spirit AeroSystems готова подтолкнуть производителей летательных аппаратов вперед с помощью экономически эффективных конструкций из композиционных материалов в рамках крупномасштабного производства. Более того, компания разработала схему производства, которая может способствовать достижению соответствия требованиям новой программы по узкофюзеляжным самолетам к изготовлению более 60 единиц в месяц.
«Что касается структурных элементов базовой конфигурации, мы решили все поставленные перед нами задачи», – говорит Хейн.
«Мы создали конструкцию, по весу сопоставимую с современными металлическими фюзеляжами и при этом на 30% дешевле других фюзеляжей из композиционных материалов, что отражается как на начальных капиталовложениях, так и на текущих расходах. Очевидно, наша цель – как можно скорее принять участие в какой-нибудь программе по строительству летательных аппаратов. Технология утверждена, но нам предстоит еще поработать. В конечном итоге, мне кажется, клиенты отдадут свое предпочтение фюзеляжу из композиционных материалов».
