Как сделать лопасти из стеклопластика
Добавил пользователь Дмитрий К. Обновлено: 04.10.2024
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ЛИСТОВОГО СТЕКЛОПЛАСТИКА ДЛЯ ОБШИВОК ХВОСТОВЫХ ОТСЕКОВ ЛОПАСТИ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА
Приведено описание создания стеклопластика для обшивок хвостовых отсеков лопастей несущего винта вертолета взамен используемых в настоящее время обшивок из органотекстолита. Для изготовления обшивок было решено использовать однонаправленный стеклопрепрег и два слоя стеклоткани, образующие при формовании в автоклаве монолитный пластик с заданным содержанием связующего. Проведен выбор оптимальной схемы армирования из двух вариантов. По результатам стендовых испытаний показано, что при выбранной схеме армирования стеклопластик обладает высокими прочностными свойствами, стойкостью к образованию краевых усталостных трещин и удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к обшивкам хвостовых отсеков лопастей.
Ключевые слова: органотекстолит, стеклотекстолит, стеклопластик, гибридный стеклопластик, обшивки хвостовых отсеков.
Введение
Область применения конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе препрегов (предварительно пропитанных связующим волокон армирующего наполнителя) является одной из самых перспективных в авиа- и вертолетостроении. В настоящее время доля ПКМ в конструкциях вертолетов может достигать 50%, и производители стремятся ее увеличить [1].
Для изготовления лопастей вертолетов, как одних из наиболее нагруженных деталей, в ВИАМ разработан ряд перспективных материалов, в том числе стеклопластиков и гибридных стеклоуглепластиков для изготовления лонжеронов, а также листовых органотекстолитов, используемых в качестве обшивок хвостовых отсеков сотовой конструкции [2–4].
В настоящее время ведущие зарубежные и отечественные разработчики ПКМ ведут исследования, направленные на создание материалов и технологий, позволяющих снизить затраты при изготовлении изделий из ПКМ [5].
Листовые органотекстолиты, используемые в настоящее время в качестве обшивок хвостовых отсеков, являются наиболее легкими и прочными материалами, способными противостоять воздействию динамических нагрузок на лопасть несущего винта (ЛНВ) вертолета, возникающих в полете [6].
Тем не менее в связи с высокой стоимостью органотекстолитов создателями вертолетной техники была поставлена задача разработать более дешевый листовой стеклопластик, который по весовым характеристикам (поверхностной плотности), прочности и стойкости к циклическим нагрузкам не уступает Органитам, а также обладает повышенной климатической стойкостью [7]. Попытки решить эту проблему простой заменой органотекстолитов на стеклотекстолиты с различными схемами укладки слоев ([0°, 90°, 90°, 0°] и [0°, ±45°, 0°]) не увенчались успехом. На рис. 1 изображен разрушенный хвостовой отсек с обшивками из препрега марки КМКС-2м.120.Т-64(ВМП).30 со схемой армирования [0°, ±45°, 0°], выдержавший ˂1 млн циклов.
Рис. 1. Разрушение отсека с обшивками из препрега марки КМКС-2м.120.Т-64(ВМП).30
Материалы и методы
Для поиска оптимального варианта конструкции обшивки проведен анализ возможных вариантов армирования пластика обшивки и рассмотрены альтернативные материалы, в том числе однонаправленные ПКМ. Известно, что однонаправленные стеклопластики имеют высокую удельную ударную вязкость и усталостную прочность при изгибе в направлении, поперечном армированию, так как не имеют пересечений волокон наполнителя в пределах монослоя как у стеклотекстолитов. Кроме того, практика применения однонаправленных стеклопластиков [8] в качестве стопперов усталостных трещин в слоистых конструкциях авиационной техники показывает их эффективность. Исходя из этих фактов было принято решение применить однонаправленный стеклопластик в качестве одного из армирующих слоев в составе материала обшивки.
Исходя из предварительных технических требований к материалу (табл. 1), выдвинутых разработчиком изделия, рассчитывали весовые характеристики однонаправленного препрега таким образом, чтобы суммарная поверхностная плотность получаемого пластика, включая стекловолокно, связующее и два слоя сухой ткани Т-64(ВМП), не превышала заданную: 580 г/м 2 .
Предварительные технические требования к материалу обшивок
Предел прочности при растяжении, МПа (не менее)
Толщина пластика, мм
Масса 1 м 2 пластика, г (не более)
Ресурс обшивок при циклических нагрузках при стендовых испытаниях в составе конструкции, циклов (не менее)
Поверхностную плотность связующего в однонаправленном препреге рассчитывали таким образом, чтобы связующего было достаточно для пропитки двух сухих слоев стеклоткани, при этом содержание связующего в отформованном пластике должно быть в пределах 31–35%. Далее провели расчеты весовых характеристик однонаправленного препрега, которые представлены в табл. 2.
Расчетные характеристики однонаправленного препрега
Масса 1 м 2 препрега, г (не более)
Масса 1 м 2 стекловолокна в препреге, г
Масса 1 м 2 связующего в препреге, г
Содержание связующего в препреге, %
Специфика работы материала обшивок в составе хвостовых отсеков лопасти вертолета предполагает непредсказуемость критического параметра статической и/или динамической прочности материала, который смог бы быть определяющим при выборе схемы армирования. Оптимальная схема армирования может быть выбрана только после проведения динамических испытаний обшивки в составе хвостового отсека в условиях, приближенных к реальной работе конструкции. Для сокращения количества вариантов схем армирования и объема испытаний для предварительных динамических испытаний выбрали два альтернативных по свойствам материала:
– вариант 1 имеет преимущества по прочности при сдвиге в плоскости листа;
– вариант 2 имеет преимущества по прочности и модулю упругости в направлении [90°].
Прогнозируемые свойства двух вариантов представлены в табл. 3.
Альтернативные варианты схем армирования обшивок и
расчетный уровень их свойств
в направлении приложения нагрузки
Т-64 [+45°]/РВМПН [0°]/Т-64 [-45°]
Т-64 [90°]/РВМПН [0°]/Т-64 [90°]
Результат
В процессе отработки сборки заготовок обшивок установлено, что обшивки, собранные по варианту 2, наиболее предпочтительны как с точки зрения расхода стеклоткани Т-64, так и трудоемкости сборки. Далее провели оценку свойств обшивок на соответствие техническим требованиям (см. табл. 1). Характеристики пластиков представлены в табл. 4.
Характеристики двух вариантов пластика обшивок
Значения свойств пластиков
Толщина пластика, мм
Масса 1 м 2 пластика, г
Предел прочности при растяжении, МПа, в направлении:
Видно, что у пластика, изготовленного по варианту 2, значения прочности существенно превышают аналогичные значения у пластика, изготовленного по варианту 1.
Образцы обшивок передали Заказчику для оценки стойкости при воздействии циклических нагрузок в составе конструкций хвостовых отсеков.
Предварительные испытания показали, что оба варианта обшивок выдерживают назначенный ресурс 2·10 6 циклов без разрушения отсеков, но в обшивках, изготовленных по варианту 1, наблюдалось образование трещин вдоль направления [0°] – направления волокон стеклоровинга (рис. 2). Таким образом, для дальнейших испытаний выбрали обшивки, изготовленные по варианту 2.
Рис. 2. Образование усталостной трещины в обшивке, изготовленной по варианту 1
Разработанному стеклопластику присвоена марка ВПС-53К, на него оформлены технические условия ТУ1-595-1496–2015, где зафиксированы его следующие технические характеристики:
– толщина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,35±0,05 мм;
– масса 1 м 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525–578 г;
– предел прочности при растяжении в направлении
[0º] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720 МПа;
[90º] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 МПа;
– максимальный габарит листов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460×920 мм.
Назначение: изготовление лопастей воздушных винтов из композитов на основе тканых и ниточных армирующих наполнителей и полимерных связующих для мотодельтапланов и легкомоторных самолетов. Сущность изобретения: элементы заготовки выполняют в виде половинок лопасти с комлевой частью из набора тканевых лепестков укладкой их друг на друга. На участках, формирующих при сборке переднюю кромку 2 лопасти, между лепестками помещают разделительную пленку. При сборке последовательно лепестки обеих половинок укладывают с нахлестом друг на друга, удаляя разделительную пленку. Затем комлевую часть соединяют с металлическими втулками, а в полость заготовки со стороны задней кромки 3 лопасти заводят герметичный мешок 10 и защемляют его край между заготовками половинок лопасти. Далее осуществляют тремо-пневмоформирование в пресс-форме, при этом кромку мешка 10 защемляют между полуформами II пресс-формы. 5 ил.
Изобретение относится к авиационной технике, в частности, к способам изготовления лопастей воздушных винтов из композитов на основе тканых и ленточных армирующих наполнителей и полимерных связующих и может быть использовано для мотодельтапланов и легкомоторных самолетов.
Известен способ изготовления композитной лопасти воздушного винта путем формирования в отдельных полуформах верхней и нижней половинок лопасти с полной их термообработкой и последующей склейкой готовых полулопастей [1] Наиболее близким по технической сущности является известный способ изготовления пустотелой композитной лопасти воздушного винта, включающий изготовление элементов заготовки из тканого предварительно пропитанного связующим материала, сборку их в заготовку пространственной формы с возможностью скольжения элементов относительно друг друга, размещение герметичного мешка в полости заготовки, термопневмоформование и оформление комлевой части [2] К недостаткам известных способов можно отнести невозможность изготовления надежной конструкции лопасти, невозможность одновременного формирования ее комля.
Лопасть, изготовленная по первому способу, ненадежна из-за кругового клеевого шва, соединяющего половинки лопасти, являющегося концентратором напряжений.
Лопасти, изготовленные в соответствии с другим способом, более надежны, но не обеспечивают точного формирования полости лопасти, особенно в зоне носка, из-за невозможности заведения герметичного мешка в эту зону, а также из-за наличия стыков элементов заготовок в готовой конструкции.
Кроме того, ни одним из этих способов нельзя одновременно с изготовлением пера лопасти сформировать ее комель.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка надежного способа изготовления пустотелых лопастей воздушных винтов с оптимальным равномерным распределением армирующего материала по передней кромке и формированием комля, интегрально связанного с пером лопасти.
Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является повышение качества изделий, достигаемое за счет соответствующего кроя элементов заготовки, технологии их сборки, а также за счет фиксации кромки герметичного мешка в заготовке перед термопневмоформированием.
Для достижения указанного технического результата в способе изготовления пустотелой композитной лопасти воздушного винта, включающем изготовление элементов заготовки из тканого предварительно пропитанного связующим материала, сборку их в заготовку пространственной формы с возможностью скольжения элементов относительно друг друга, размещение герметичного мешка в полости заготовки, термопневмоформирование с оформлением комля, согласно изобретению элементы заготовки выполняют в виде половинок лопасти с комлевой частью из наборов тканевых лепестков укладкой их друг на друга с чередованием с разделительной пленкой, например, фторопластовой, на участках, формирующих при сборке переднюю кромку лопасти, сборку заготовки производят соединением половинок лопасти через разделительную пленку на участке задней кромки и путем поочередного удаления разделительной пленки и последующего нахлеста лепестков обеих половинок друг на друга на участке передней кромки, комлевую часть заготовки перед термопневмоформированием соединяют с металлическими наружной и внутренней втулками путем заведения ее внутрь наружной и фиксирования с помощью внутренней, размещение герметичного мешка производят через раскрепление в задней кромке с защемлением его края между половинками лопасти, при этом размер тканевых лепестков по ширине участка, формирующего переднюю кромку лопасти, выбран с учетом гарантированного остаточного нахлеста после термопневмоформования.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид лопасти, на фиг. 2 схема раскроя тканевых лепестков, на фиг. 3 - формование заготовок лепестков в полуформе, на фиг. 4 сборка заготовки, поперечный разрез, на фиг. 5 размещение заготовки лопасти и герметичного мешка в прессформе.
Лопасть воздушного винта из композита содержит перо 1 с передней 2 и задней 3 кромками и комель 4 с наружной 5 и внутренней 6 металлическими втулками.
Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.
Из предварительно пропитанной, например, эпоксидной смолой с отвердителем, стекло, угле- или органоткани вырезают лепестки 7 (фиг. 2), по профилю полулопасти с комлевой частью и с превышением ширины участка передней кромки для обеспечения гарантированного остаточного нахлеста после термопневмоформования. Величина превышения определяется экспериментальным путем и зависит от свойств используемых материалов, размеров готовой лопасти и т.д. На фиг. 2 она обозначена буквой "а". Затем производят укладку необходимого (для получения заданной толщины стенки) числа лепестков 7 в отдельные полуформы, прокладывая между соседними лепестками 7 на участках, формирующих переднюю кромку 2 лопасти, разделительную пленку 8, например, фторопластовую (фиг. 3). После этого в одну из полуформ помещают пенопластовый вкладыш 9 (фиг. 4), имеющий форму полости лопасти, размещают полоску разделительной пленки по краю формируемой задней кромки 3 и сверху укладывают другую заготовку, совмещая участки задней кромки 3. Переднюю кромку 2 формируют путем поочередного удаления разделительной пленки и заворачивания вовнутрь кромок противолежащих лепестков 7, начиная с внутренних. Затем удаляют вкладыш, заводят в полость со стороны задней кромки герметичный мешок 10 (фиг. 5) и защемляют край мешка между половинками лопасти. После этого комлевую часть заготовки лопасти заводят внутрь наружной металлической втулки 5 и фиксируют ее положение с помощью внутренней втулки 6, которую заводят с торца. Производят сборку пресс-формы с зажимом выступающей кромки герметичного мешка 10 между полуформами 11 (фиг. 5), создают давление для раздува мешка, нагревают до заданной температуры, выдерживают при температуре и давлении, охлаждают, извлекают изделие, удаляют герметичный мешок, заделывают место его удаления.
Пример конкретного осуществления способа.
Была изготовлена лопасть воздушного винта мотодельтаплана из стеклопластика, для чего стеклоткань, предварительно пропитали эпоксидной смолой марки ЭХД-Ф, произвели раскрой лепестков, их укладку в полуформы с чередованием на указанных выше участках с фторопластовой пленкой, сборку заготовки как было описано выше, произвели термопневмоформование, использовав герметичный мешок из полиамида марки ПК-4.
Испытания в условиях эксплуатации подтвердили надежность предложенного способа, высокое качество конструкции, ее высокие аэродинамические свойства.
Таким образом, данное техническое решение позволяет повысить качество и эксплуатационную надежность готового изделия, что соответствует критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения.
Способ изготовления пустотелой композитной лопасти воздушного винта, включающий изготовление элементов заготовки из тканого, предварительно пропитанного связующим, материала, сборку их в заготовку пространственной формы с возможностью скольжения элементов относительно друг друга, размещение герметичного мешка в полости заготовки, термопневмоформирование с оформлением комля, отличающийся тем, что элементы заготовки выполняют в виде половинок лопасти с комлевой частью из наборов тканевых лепестков укладкой их друг на друга с чередованием с разделительной пленкой, например фторопластовой, на участках, формирующих при сборке переднюю кромку лопасти, сборку заготовки производят соединением половинок лопасти через разделительную пленку на участке задней кромки и путем поочередного удаления разделительной пленки и последующего нахлеста лепестков обеих половинок друг на друга на участке передней кромки, комлевую часть заготовки перед термопневмоформированием соединяют с металлическими наружной и внутренней втулками путем заведения ее внутрь наружной и фиксирования с помощью внутренней, размещение герметичного мешка производят через раскрепление в задней кромке с защемлением его края между половинками лопасти, при этом размер тканевых лепестков по ширине участка, формирующего переднюю кромку лопасти, выбран с учетом гарантированного остаточного нахлеста после термомневмоформования.
Лопасти для ветрогенератора своими руками, форма, размер, площадь и количество лопастей, фото, видео изготовления лопастей.
При самостоятельном изготовлении ветрогенератора, очень важно правильно подобрать форму, размер и количество лопастей, от этого зависит эффективность работы генератора.
Какую форму лопастей выбрать для ветрогенератора.
Для ветрогенераторов с горизонтальным размещением ротора можно использовать два типа лопастей с формой паруса и формой крыла.
Парусный тип лопастей (по форме напоминает ветряную мельницу) из-за своей прямой формы имеет большое аэродинамическое сопротивление, что делает его менее эффективным и довольно шумным в работе.
Наиболее удачной формой лопастей считается форма крыла (по форме лопасть напоминает крыло самолёта), такой тип лопасти имеет гораздо меньшее аэродинамическое сопротивление, больший КПД и издаёт меньше шума при работе.
Поэтому для ветрогенератора с горизонтальным ротором рекомендуется устанавливать лопасти в форме крыла.
Как определить количество лопастей для ветрогенератора.
Прежде всего, нужно определиться с количеством лопастей. На быстроходные, ветрогенераторы устанавливается минимальное количество лопастей 2 – 3, это позволяет максимально раскручивать ротор генератора, но устанавливать быстроходные генераторы можно только в районах с постоянными ветрами, например на берегу моря.
В условиях средней полосы страны преобладают слабые ветра, и если установить быстроходный ветряк, то он будет малоэффективным.
2 — 3 лопастный ветряк будет хорошо раскручиваться при сильном ветре, а при слабом он будет просто стоять.
На ветрогенераторы с 2 – 3 лопастями очень сильно идёт нагрузка от воздействия центробежной силы, такие ветряки способны раскручивать лопасти до скорости полёта пули, если лопасть сломается, то может отлететь и нанести травму человеку.
К тому же 3 лопастные ветряки очень сильно шумят, их не рекомендуется устанавливать возле жилых домов, при сильных порывах ветра такой ветрогенератор издаёт звук пролетающего вертолёта.
В средней полосе страны, где преобладают слабые и средние ветра практичней устанавливать низко оборотистые ветрогенераторы. Для таких генераторов оптимально использовать 5 – 6 лопастей в форме крыла. Такое количество лопастей позволяет ветряку ловить слабый поток ветра и стабильно работать на низких оборотах.
Как рассчитать размер и площадь лопастей для ветряка.
Рассчитать оптимальный размер лопастей можно по приведённой таблице.
Большинство разработчиков самодельных ветряков рекомендуют изготовлять ветряк диаметром примерно 2 метра, это оптимальный размер который позволяет самостоятельно обслуживать ветрогенератор.
Как сделать лопасти для ветрогенератора из ПВХ трубы.
Для ветрогенератора можно изготовить лопасти из пластиковой трубы. Для этого рекомендуется использовать ПВХ трубу для напорного трубопровода диаметром 160 мм, обычные трубы для безнапорной канализации использовать нельзя, при сильном ветре они сломаются.
На трубе рисуем маркером контур шаблона лопасти.
Вырезаем заготовку пилой или электро-лобзиком.
Заготовки обрабатываем шлифовальной машинкой, сглаживаем углы и края лопастей.
Лопасти из ПВХ трубы отлично подходят для небольших самодельных ветрогенераторов с диаметром ветроколеса не более 2 метров.
В настоящее время американские военные заняты оснащением парка своих вертолетов углеродно-волоконными композитными (карбоновыми) лопастями, так как эти новые материалы обладают повышенным сроком службы, хорошо переносят повреждения, у них отсутствуют проблемы с коррозией, и они обладают высокой надежностью.
Крайним военным вертолетом, оборудованным композитными лопастями, стал Boeing AH-64D Апачи Блок III. В Форт-Ирвине, штат Калифорния, Апачи Блок III прошел первоначальные эксплуатационные испытания и оценки, продемонстрировав тем самым новые технологии и их возможности.
Одним из ключевых аспектов этих возможностей является повышение летно-технических характеристик и надежности главного ротора с лопастями из углеродного волокна, однако, по мнению руководителя программы Апачи Блок III подполковника Даниэля Бэйли (Daniel Bailey), использование таких материалов вряд ли остановится только на лопастях. "Лопасти являются первым очевидным шагом", - сказал он изданию Defence Helicopter.
Структурный элемент
Хотя такой важный летный компонент как лопасти может показаться странной отправной точкой для внедрения новых технологий, но именно здесь в последние годы американские военные оттачивали свои навыки в композитных материалах. Бейли указывает на то, что эти материалы будут широко представлены на американских военных "вертолетах завтрашнего дня": "Следующим шагом станут композиты в фюзеляже, и мы уже идем по этому пути".
Апачи также получит новый хвостовой ротор примерно в следующем году. Вне зависимости от процесса Блок III, "наша программа композитных хвостовых роторов продолжается. Это параллельная программа Блок III, - объяснил Бэйли. - Мы находимся на заключительной стадии квалификации, но нам ещё предстоит провести множество летных испытаний. Вероятно, уже через год Апачи будет оснащен такой системой".
Новые хвостовые лопасти также будут установлены на модернизированные модели Блока II . Эта замена традиционных лопастей несущего и рулевого винтов происходит благодаря устареванию некоторых технологий. Эти лопасти, первое использование которых датируется 1970-ми годами, уже не были полностью металлическими. На вертолетах AH-64A и D Блок I и II для лопастей несущего и рулевого винтов используется композит из металла и стекловолокна.
В машиностроении композитным принято считать материал или структуру, состоящую более чем из одного элемента. Лопасти Апачи сделаны из экзотических сплавов в виде нержавеющей стали марки AM 355. Инженеры Boeing использовали различные многотрубчатые конфигурации AM 355, ламинированные и связанные вместе с трубками из стекловолокна в качестве препятствия распространению трещин, что придавало конструкции достаточно прочности для удовлетворения армейским требованиям по живучести. Эта сложная конструкция также является дорогой.
Нынешние композитные лопасти основного и хвостового винтов, представленные на Блоке III и его параллельной программе, состоят из углеродного волокна в полимерной матрице, именно это обычно имеют в виду, когда говорят о композитах.
Улучшенная конструкция
Углеродные волокна демонстрируют улучшения в том, как они изготовлены и как они функционируют. "По средствам изменения ориентации волокон и количества слоев и наполнителей вы можете довести композитные лопасти до уровней, которые были недосягаемы с металлами. По сути, вы можете изготовить лопасть с точки зрения её крутки, её аэродинамического профиля или функции хорды, оптимизируя её летные характеристики", - объяснил главный инженер вертолетных программ Боинга Джон Шиблер (John Schibler).
В композиционных материалах из углепластика слои из волокон часто расположены поочередно друг к другу под прямым углом. Правильно выбирая направление волокон в этих слоях, можно добиться необходимых характеристик в конкретных направлениях и областях.
"Преимущества заключаются в прочности материала и в том факте, что при равной прочности можно обеспечить до 30% снижения веса (по сравнению с металокомпозитами). При одинаковом весе он обеспечивает гораздо более высокую жесткость. Но обычно мы говорим об уменьшении веса", - сказал Даниэль Кагнатель (Daniele Cagnatel), вице президент современных композитных материалов GKN Aerospace North America. Компания поставляет фирме Сикорский современные углеродные волокна для лопастей основного ротора вертолета Black Hawk.
Кроме улучшения жесткости и прочности, Шиблер указывает и на экономическую выгоду: "Мы производим лопасти по сравнительно низкой закупочной стоимости, а также с низкими эксплуатационными расходами и более выгодной ремонтопригодностью".
Фирма Сикорский производит лопасти несущего и рулевого винтов с использованием лонжеронов из графитной смолы, оплетенных стекловолокном или углеродным волокном. Алан Валинг (Alan Walling), генеральный директор композитных лопастей Сикорского, сказал: "Сикорский способен производить полностью композитные лопасти несущего винта всего за треть времени, необходимого для производства металлических лопастей. При производстве композитных лопастей остается значительно меньше химических отходов. Это происходит потому, что металлические лопасти требуют травления в кислотной ванне для обеспечения необходимых летно-технических характеристик лопастей в течение долгого времени".
Улучшенные лопасти
По мнению Кагнателя: "Выбор углеродных волокон для лопастей является обязательным. Существующая структура лопастей доказала себя на практике, где углеродное волокно улучшило летно-технические характеристики по сравнению с металлом".
"Композитные лопасти несущего винта для программы Апачи Блок III в настоящее время находятся в производстве. Мы изготавливаем около 20 лопастей в месяц и в ближайшее время нарастим их производство до 40 и до 60", - сказал Шиблер.
В 2013-ом году Блок III будет введен в эксплуатацию в 1-ом ударно-разведывательном батальоне американской армии (1-1 ARB), боевой авиационной бригаде, 1-й пехотной дивизии на базе Форт-Райли, штат Канзас. В мае пять вертолетов Апачи Блок III прибыли в 1-ый ударно-разведывательный батальон для подготовки пилотов и служб технического обслуживания, дополнительные вертолеты прибудут в ближайшие месяцы.
Британская армия летает на вертолетах моделей Апачи Блок I, но они могут быть модернизированы до уровня Блок III. Принятие решения по этому поводу ожидается в декабре. Если решение о модернизации до уровня Блок III будет принято, то Апачи Великобритании также могут получить лопасти несущего винта от британской экспериментальной программы ротора (British Experimental Rotor Programm IV, BERPV IV). Программа BERP IV была завершена в 2007-ом году, и композитные лопасти летают на EH101 Merlin Mk 3 Королевских ВВС.
Испытаны и проверены
Тем не менее, это не первый европейский военный вертолет, использующий карбоновые лопасти. Предшественник Eurocopter, Aérospatiale утверждает, что эта честь выпала на вертолет SA 330 Puma, летающий с 1970-х годов. С тех пор этот тип используется многими вооруженными силами, включая французскую армию и ВМС США. Композитные хвостовые лопасти также используются на вертолетах AS532 Cougar, AS565 Panther, NH90 и Tiger.
Армия использует более широкие композитные лопасти несущего винта, также известные как лопасти с широкой хордой благодаря их улучшенным весовым характеристикам. Экономия в весе составила 204 килограмма. "Это было основной причиной создания композитных лопастей, а не создание их просто потому, что они композитные. Главное - это их летно-технические характеристики", - объяснил Джексон.
"В течение некоторого времени они работают на Сикорском S-92 в несколько иной конфигурации, благодаря этому у нас уже был хороший объем данных. В решении перейти к полностью композитным лопастям не было много риска", - продолжил он. Фирма Сикорский применила полностью композитные лонжероны и обшивку лопастей несущего винта на своих вертолетах S-92 в конце 1990-х годов.
Летно-технические характеристики вертолетов UH-60M были проверены при двух развертываниях в Афганистане, и Джексон настаивает, что они показали хорошие результаты: "В настоящее время мы заняты сбором данных о надежности лопастей. У нас были поврежденные лопасти, а также отремонтированные и восстановленные. Что касается вопроса, обнаружили ли мы трещины в лопастях или непредвиденные сбои по причине новых композитных конструкций, ответ- нет". Основываясь на нынешнем успехе, следующим шагом могут стать полностью композитные цельноповоротные стабилизаторы.
Планы по уменьшению веса
В дополнение к тому что пояснил Бейли, что лопасти были первым шагом, а композитный фюзеляж являются следующим, Джексон сообщил: "Мы ищем другие области применения композитных материалов. Сейчас мы разрабатываем полностью композитный цельноповоротный стабилизатор, который обеспечит значительное снижение веса".
Армия приступила к разработке композитной хвостовой балки вертолета Black Hawk с целью снижения её веса, однако в настоящее время особый акцент делается на создании полностью композитного цельноповоротного стабилизатора, включающего внутренние компоненты. "Мы намерены сделать полностью композитный цельноповоротный стабилизатор для значительного уменьшения веса в области вертолета, имеющей основное воздействие на центр тяжести вертолета".
Джексон заявил, что, как уже отмечалось в предложении фирмы Сикорский, решение о создании полностью композитного цельноповоротного стабилизатора не было обусловлено стремлением улучшить его летно-технические характеристики, а лишь ставило цель сократить расходы на его производство.
"Мы ещё должны выполнить некоторые испытания, баллистические и другие виды летно-технических испытаний с целью убедиться, что новое изделие будет настолько же хорошо или даже лучше оригинального, а затем принять финансовое решение о том, как мы хотим внедрить его на существующую платформу, внедрить его в перспективное производство или пополнить им список существующих запасных частей".
Компанией, поставляющей композитную хвостовую балку, но не лопасти хвостовых винтов, является BLR Aerospace из штата Вашингтон. Вице-президент компании по сбыту и маркетингу Дэйв Мароне (Dave Marone) подтвердил изданию Defence Helicopter, что его компания производит полностью композитную хвостовую балку по заказу одного из военных заказчиков, но не согласился предоставить дополнительную информацию.
Планы на будущее
Ещё одним вертолетом, которому придется ждать до 2016-го года, чтобы получить композитные лопасти несущего винта из углеродного волокна, является американский армейский CH-47 Chinook. "Новые композитные лопасти называются Advanced Chinook Rotor Blade (ACRB). Программа успешно завершила стадию критического анализа проекта (critical design review, CDR) в январе 2012 года", - сообщил руководитель проекта модернизации CH-47 Chinook подполковник армии США Джо Хочерл (Joe Hoecherl). Летные и баллистические испытания были завершены в 2011-ом году.
Программа ACRB принесет изменения в форме лопастей и их летно-технических характеристиках, не затронув их крепления. "Эти лопасти будут взаимозаменяемыми на всех вертолетах Chinook", - сказал Хочерл. Были завершены масштабные тестирования в аэродинамической трубе, которые продемонстрировали, что новые лопасти способны обеспечить до 900 кг дополнительной вертикальной тяги, что позволит вертолету зависать с полной загрузкой на высоте в 1200 метров при температуре воздуха в 35° C.
Лопасти ACRB в аэродинамической трубе.
Предсерийное производство лопастей запланировано на апрель 2014-го года, летные испытания на третий квартал 2015-го года, а серийное производство на 2016-ый год. В феврале нынешнего года было объявлено, что Boeing разрабатывает композитные лопасти с повышенным сроком службы и требующие значительно меньше времени, необходимого для устранения несоконусности лопастей несущего винта и их балансировки. Эти лопасти также могут быть установлены на модели вертолетов CH-47D, однако эти вертолеты запланировано списать уже к 2019-му году.
Интеллектуальные композиты
Скорее всего, к 2019-му году лопасти из углеродного волокна потребуют более сложного подхода для достижения дальнейшего улучшения летно-технических характеристик. Промышленность сходится во мнении, что лопасти не будут состоять только из углеродного волокна. Кагнатель считает, что в них будут встроены датчики, способные следить за состоянием лопастей и позволяющие более точно прогнозировать срок их службы.
"Тенденции всё более указывают на встроенные системы, элементы подогрева передней кромки лопасти, а также датчики напряжения и деформации лопастей. В будущем такие датчики будут составной частью лопастей, нежели их внешними элементами", - сказал он.
Тем не менее, на лопасти также могут быть установлены движущиеся части. Директор по исследованиям и профессор инженерного факультета Бристольского Университета Пол Уивер (Paul Weaver) как раз работает над таким проектом для правительства Великобритании. Проект называется Интеллектуальные Реагирующие Композитные Структуры (Intelligent Responsive Composite Structures, IRCS). "Национальное агентство инноваций финансировало проект, завершившийся два года назад изменением формы закрылков", - сказал он изданию DH.
Национальное агентство инноваций принадлежит британскому правительству, оно занимается финансированием исследований, разработок и их коммерциализацией. В рамках программы IRCS было обнаружено, что щиткообразное устройство на задней кромке лопасти может быть использовано для повышения летно-технических характеристик при переходе от зависания к горизонтальному полету.
Фирма Сикорский также занята исследованиями в этой области. Она разрабатывает активные технологии лопастей несущего винта совместно с Министерством обороны США. На сегодняшний день не планируется установка этих устройств на существующие лопасти.
Американские военные не являются первопроходцами в развертывании углеволоконных лопастей, но тот факт, что они активно оснащают свой вертолетный парк новыми лопастями, подтверждает, что новые композиты активно внедряются в жизнь. Для Бейли важность углеродного волокна является очевидной: "Эти технологии будут стимулировать развитие будущих армейских вертолетов, будь то новые Apache, Black Hawk или Chinook".
Читайте также: