Боинг не вывозит - грядет эпичный провал США в композитах (+видео версия)

Боинг не торопится возобновлять поставки Дримлайнера – «лайнера мечты» Боинг-787 с композитным фюзеляжем и крылом. Официальная версия – устраняет «мелкие дефекты на каркасах самолетов». Почему это… ну такая себе отмазка? В общем, сегодня проведу краткий ликбез по композитам в авиастроении.

Корпорация Боинг не торопится возобновлять поставки своего самолета 787 Dreamliner, о чем нам совершенно открыто сообщает Блумберг. С июня американский аваистроительный гигант не передал заказчикам ни одного самолета, а в январе Боинг зафиксировал 5.5 миллиардов долларов издержек на производство модели 787, что не позволило получить прибыль от его продаж.

По сообщениям компании, она «устраняет мелкие дефекты на композитных деталях» самолетов. К тому же, целых 110 Дримлайнеров, находящихся в эксплуатации, потребовали весьма трудоемкого ремонта дверей. Когда речь идет о таком большом количестве самолетов – тут уже не спишешь на какие-то случайности или «доводку по месту». Проблема и в самом деле куда серьезнее.

Этот материал можно посмотреть на видео, там есть дополняющие иллюстрации - для лучшего понимания.

Боинг 787 стал первым большим магистральным самолетом, где были применены композиционные материалы именно в силовых частях конструкции, то есть в оболочке фюзеляжа и силовой части крыла. Композиты применяются в авиации уже несколько десятилетий, но в основном – для несиловых частей: разных обтекателей, законцовок крыла и все такое. Боинг стал первым, кто попробовал применить композиты для силовых частей. Но сейчас можно уже точно сказать, что вышло не очень.

Чтобы объяснить в чем же была ошибка Боинга мне придется провести небольшой ликбез по композитам в авиастроении.

Под композитом обычно понимают некий материал, состоящий из двух или нескольких компонентов. Тот, что наиболее активно применяется в авиации – это так называемый углепластик. (Да, стеклопластики тоже там есть, я в курсе. Но речь сейчас о силовых конструкциях - поэтому углепластики.)

Композит-углепластик состоит из двух компонентов: высокопрочного углеродного волокна и полимерного связующего. Это самое волокно представляет собой очень прочные углеродные нити. Чтобы сделать из этих нитей монолитную конструкцию их надо определенным образом положить слоями и чем-то скрепить. Скрепляют полимерным связующим или проще говоря – пластиком.

Можно было бы конечно залить чем покрепче – металлом, например. Но не получается с точки зрения химии, потому что между волокном и связующим должна образоваться прочная связь – адгезия. С этой точки зрения пластик подходит идеально. Но есть один ньюанс – с прочностью у пластика как-то не очень. А по сравнению с углеродным волокном – так вообще.

Но – пока речь идет о конструкциях, где запасы по прочности гигантские и вообще прочность это дело десятое – все очень даже отлично. Потому что композит почти в два раза легче стандартных авиационных сплавов. А вот когда конструкция должна работать на пределе возможностей – тут-то и вылезают проблемы. Пластик оказывается довольно хрупким и непрочным.

Значит ли это, что композиты нельзя применять в крыле и фюзеляже? Нет, не значит. Просто надо делать это с умом. То есть – с учетом преимуществ и недостатков этого самого композита.

А что же сделал Боинг? Он по сути взял за основу конструкцию металлического самолета и «заменил» металл на композит. То есть все части конструкции остались примерно те же: такая же тонкая обшивка и тонкостенные подкрепляющие элементы: стрингеры и шпангоуты. Они даже концепцию такой конструкции назвали Black Metal. То есть это как бы такой металл, только лучше. А слово Black здесь потому, что углепластик черного цвета.

Это конечно же было ошибкой. Причем концептуальной, то есть сам подход к тому как делать конструкцию оказался неправильным. Таких примеров в истории человечества, кстати, огромная масса.

Вот например, испокон веков люди строили дома и другие строения из дерева. А что такое типовая деревянная конструкция? Это когда ставишь два деревянных бревна - цилиндра и сверху – третий, в качестве перекрытия. А потом где-то в Древней Греции люди решили строить дома из камня. А что, камень же прочнее, правда? И стали делать свои здания с колоннами. Два каменных цилиндра и сверху перекрытие. То есть тупо скопировали «деревянную» концепцию.

Но такие конструкции из камня оказались не очень. Ведь дело в том, что камень очень прочный на сжатие, но плоховат на растяжение. А когда кладешь его на перекрытие – он изгибает под собственным весом и в нижней части образуется зона растяжения. Ну и сразу трещина, конечно. В итоге до наших дней греческие здания если и сохранились, то в неважном состоянии.

А вот римляне – те оказались более прошаренными. Они учли особенности камней и стали делать арки и своды, в которых все камни только сжимаются, а не растягиваются. И римские здания сохранились гораздо лучше.

Точно так же с любым конструкционным материалом. Если меняешь материал – приходится изобретать совершенно новую конструкцию, на новых принципах. Иначе – провал. Как и вышло в итоге у Боинга.

В авиации тип материала меняется уже не в первый раз. На заре пионерской авиации самолеты строили, как известно, из деревянных брусков, из которых делали рамы и стягивали металлическими тросами. А из брусков – потому, что это естественный элемент, который можно сделать из дерева.

Потом, когда свойств дерева перестало хватать для более высоких скоростей и грузоподъемностей – решили переходить на металл. Кстати, первые металлические самолеты – такие как советский «Сталь-2», очень напоминали деревянные. Те же самые рамы, только металлические.

Но вскоре из металла научились делать тонкие листы, упрочненные с помощью проката. И тогда конструкция тоже поменялась – появилась знакомая всем нам «труба с крыльями». То есть естественный элемент конструкции из металла – это лист. Из него можно сделать обшивку и тонкостенные стрингеры, которые можно к этой самой обшивке приклепать.

А что же композит? А композит – это прежде всего нить. Не брусок, как у дерева. И не лист, как у металла. А нить, жгут или лента, что сути не меняет. А что хорошего и прочного можно сделать из нитей? Особенно с учетом того, что скреплять их приходится слабым и хрупким пластиком. Это вопрос пока открытый, хотя и здесь есть кое-какие классные разработки. Но об этом в другой раз.

Так что проблемы Боинга с его Дримлайнером по моему скромному мнению еще только начинаются. А нам главное – делать правильные выводы и не повторять чужие ошибки.