Черные крылья МС-21. Прогресс или авантюра? Часть 1

Черные крылья МС-21. Прогресс или авантюра?

Довольно часто в средствах массовой информации приводиться сообщения о Российских прорывных, перспективных и не имеющих аналогов проектах.

В авиационной индустрии, таким проектом, с полным правом можно назвать МС-21.

Комментаторы на разный лад восхваляя проект, чаще всего упоминают об некоем, уникальном «черном крыле».

Именно это самое- «черном крыло», должно помочь (ОАК- объеденная авиастроительная корпорация России) побить конкурентов из Боинга и Эрбас, ввергнув в тоску и уныние авиастроителей из Европы и США.

Вопрос, далеко не праздный, так как цена проекта МС-21 уже перевалила за 450 млрд. рублей, а это не много не мало стоимость 100(сто!) «президентских» лайнеров ИЛ-96, которые к тому же втрое больших чем МС-21!

Не дороговато ли для обещанного триумфа над иностранными конкурентами?

Пример Суперджет-100 говорит о том, что, обещанные международные «победы» почему-то находят подтверждение в финансовой отчетности, исключительно в графе – «убытки».

Конкретизируем вопрос.

Поможет ли «черное крыло» МС-21 в борьбе с конкурентами, или России снова достанутся лозунги и убытки, а иностранным комплектаторам прибыль?

Что ж, постараемся разобраться с этой непростой проблемой, а для этого нам понадобиться много информации.

Итак, приступим…

Часть 1. История применения композитных материалов в авиации на примере отечественного и зарубежных опыта.

С самого начала необходимо определиться с терминами.

Все дело в том, что в авиастроении используется термин «композитное крыло» или ПКМ-полимерные композитные материалы.

Термин же «черное крыло» -сленговый оборот, и ведет свое происхождение от композитных деталей черного цвета выполненных из волокон, того же черного цвета (как правило, углеродных).

Разобравшись с терминами, перейдем к главному, вопросу-а зачем оно собственно нужно,- это черное крыло? Почему именно такое решение должно придать МС-21 невиданные преимущества?

Для начала обратимся немного к истории авиации в части авиационных материалов.

Хорошо известно, что прогресс человечества, состоял и состоит в непосредственной связи с освоением новых материалов, а также технологиями их получения и применения.

Именно применение новых материалов позволило достигнуть как количественных, так и качественных успехов в развитии нашей цивилизации.

Особенно ярко этот тезис иллюстрирует авиационная индустрия.

Авиация и космос –общепризнанный показатель прогресса развития передовых отраслей знаний.

Исторически с авиацией связанно большое кол-во достижений человеческой мысли в области науки, инженерного искусства и материаловедения.

Радиолокация, турбонадув, впрыск топлива, газотурбинные двигатели, внедрение алюминиевых, магниевых и титановых сплавов –эти новации можно с полным основанием отнести на долю авиационной индустрии.

В настоящее время, основной конструкционный материал для авиации алюминий и его сплавы.

Появившись в начале ХХ века алюминиевые сплавы прочно заняли место основного конструкционного материала в авиационной индустрии.

Сочетание прочности, легкости и низкой стоимости сделало его незаменимым для применения в авиастроении.

Остается он таковым и сейчас, в ХХI веке.

Однако прогресс не стоит на месте. Постоянный рост требований, к авиационной технике со стороны военных и гражданских заказчиков вызвал целый ряд действий, одним из с которых стал поиск новых авиационных конструкционных материалов.

В 60-е годы ХХ века, в поиске путей облегчения конструкции, конструкторы наряду с алюминиевыми,титановыми и магниевыми сплавами начали повсеместно применять и композитные материалы.

В аэрокосмической индустрии применяют полимерные композитные материалы. Состав и технология их производства достаточно проста.

Плетенная основа в виде тканного полотна выполненная из углеродных нитей, пропитываться полимерными синтетическим смолами. Затем изделию в сыром виде придают необходимую форму давлением и подвергают нагреву. Смола затвердевает.

Лишние свесы обрезаться-изделие готово.

Первой ласточкой в применение композитов стал американский F-111.

Примером широкого применения композитов в отечественной современной авиации является лайнер Ту-204, который содержит в элементах своей конструкции 25% деталей из композитных материалов-закрылки, элероны, интерцепторы, рули высоты и направления, а также панели люков, полов и интерьера. 

Изготовленный с применением композитов. Ту-204 СМ.

Панели из композитов – белые стеклопластик, черно-серые- углепластик.

В чем преимущество композитных конструкций в авиации?

По сравнению с алюминиевыми сплавами композитные материалы имеют два важных полезных отличия:

1 – простота производства тонкостенных деталей сложной формы!

2 - упругость - свойство твердых тел восстанавливать свою форму при прекращении действия сил, изменяющих форму или размеры тел.

Там где достоинства, там, в соответствии с принципами диалектики, и недостатки.

И они существенные.

Главный недостаток- отсутствие надежных способов диагностики нарушений прочности конструкций, состоящих из композиционных материалов. Другими словами, не существовало способов обнаружить начало процесса разрушения композитных конструктивных элементов авиалайнера. Соответственно разрушение конструкции в полете может привести к катастрофе. Есть и другие,- колкость при ударе, низкая устойчивость к нагреву, высокая стоимость композитов и трудоемкость их ремонта. 

Недостатки композитов и отсутствие опыта, ограничивало использование этих материалов в авиации.

Поэтому первоначально, композитные материалы применяли исключительно для изготовления второстепенных, малонагруженных элементов конструкции воздушного судна,- обтекатели, детали оперения, капоты двигателей.

Часть мотогондолы двигателя ПС-90 выполненная из ПКМ(фото из открытых источников).

Именно в производстве деталей в виде объемных геометрических тел и поверхностей двойной кривизны - первое положительное свойство композитов-простота производства, пришлось как нельзя кстати.

Второе свойство композитных материалов-упругость долгое время не находило применения, по причине высоких, на тот момент рисков, а также наличия более простых способов улучшить характеристики авиационной техники.

Некоторым исключением можно считать безмоторные планеры, но это учебные одноместные летательные аппараты небольших размеров…

Планер с крылом из композитных материалов.

Первым случаем применения композиционных материалов для такой сложной и нагруженной конструкции как крыло пассажирского воздушного судна, стал американский дальнемагистральный лайнер Boeing-787.

Что же заставило американцев поступить так, проигнорировав возможные риски?

Ответ достаточно прост – к началу ХХI века большинство возможностей по совершенствованию авиалайнеров были исчерпаны. Турбореактивные двигатели к примеру, достигли такого уровня совершенства, что дальнейшие попытки улучшить характеристик требуют огромных затрат без всяких гарантий успеха.

Доказательством данного тезиса, служит факт наличия технических проблем при эксплуатации двигателей нового поколения,- британского Rolls-Royce Trent 1000 и PW1400G от американской компании Pratt & Whitney.Анонсированные как обладающие рекордно высокой экономичностью,данные двигатели имели существенные проблемы в эксплуатации.

Инженеры Boeing выбрали композитное крыло,- так как такое решение,в случае его успешной реализации, гарантировало наилучший результат в части экономии топлива.

Рассмотрим данный тезис подробнее.

Из практики авиастроения известно, что, чем больше размах крыла, тем меньше его аэродинамическое сопротивление. Это значит, что авиалайнер, оснащенный длинным и узким (в плане) крылом потратит меньше топлива, по сравнению с другим самолетом, оснащенным относительно коротким и широким крылом, той же площади.

Меньше расход топлива больше дальность!

АНТ-25 рекордный самолет-1938 год, СССР

Чем длиннее крыло, тем большие нагрузки оно испытывает! Вместе с длиной (размахом)крыла возрастает и плечо(рычаг) приложения силы, а с ним и момент.

Поэтому чем больше размах крыла, тем сложнее обеспечить его прочность!

Другими словами, рост массы на обеспечение прочности может запросто съесть весь положительный эффект от применения крыла большой длинны(размаха).

В этом случае, второе положительное свойство композитных, материалов- а именно упругость, оказались востребованным в полной мере.

Напомним, что упругость материала- способность изменять форму под воздействием нагрузок, возвращаясь к прежнему состоянию после снятия нагрузки.

Так крыло Boeing-787 Dreamliner может отгибаться вверх до 7м!

 Потому там, где алюминий теряет прочность и разрушается, композиты лишь временно изменяют форму, изгибаясь под         воздействием нагрузки без разрушения(Упругая деформация).

Boeing-787Dreamliner в полете. Хорошо видна работа «черного крыла».

Изящный изгиб крыла, в его самой тонкой части, имеет еще одно полезное свойство- наряду с «длинным крылом» - это существенный фактор дополнительного снижения аэродинамического сопротивления (до 5%), и увеличения подъемной силы (до 2 %).

Для лайнеров, не обладающих столь же совершенным крылом, разработчики вынуждены применять винглеты –вертикальные крылышки для того что бы компенсировать недостаточный размах крыла, без увеличения геометрических размеров.

Это в свою очередь ведет к росту массы крыла, а, следовательно, к увеличению расхода топлива, а это влияет на дальность!

Boeing-767 - предшественник модели 787, оснащенный вертикальными крылышками на за концовках крыла –винглетами.

В результате BOING-787 превзошел своего предшественника BOING-767 по всем статьям, -топливной эффективности на 15-20%, дальности 25 %, комфорту для пассажиров (салон увеличенной на 40 см. ширины).

Большую часть успеха можно смело отнести на счет нового композитного крыла, большого размаха.

Размах крыла BOING-787 равен 60 метров, что на 25 % превышает размеры крыла его предшественника- BOING-767, и равен таковому у более тяжёлой машины (на 100 тонн) - BOING-777.

Ситуацию хорошо иллюстрирует представленный ниже рисунок.

Тут необходимо отметить,- большая дальность, экономия топлива и высокие показатели комфорта важны для самолетов, летающих на протяженных трассах и длительное время находящихся в режиме крейсерского полета. Именно на этом режиме происходит основная экономия топлива.

Поэтому американские инженеры в качестве платформы для применения композитного крыла большого размаха выбрали лайнер для сверхдальних перелетов (до 15000км.)

В ходе реализации проекта нашли практическое решение целый ряд проблем связанный с проектированием, испытаниями, производством и эксплуатацией композитного крыла большого размаха.

Большое количество ресурсов было затрачено на систему диагностики.

Специалистами Boeing создана система контроля, отслеживающая аэродинамические характеристики работы крыла. Эта система, с помощью специальных датчиков фиксирует и передает на землю необходимую информацию. Система носит название Digital Airline, и позволит предсказать, где произойдет поломка, и, пока самолет еще в воздухе, подготовить запасную деталь.

Были приняты меры по стандартизации и унификации материалов для всех сторонних поставщиков по всему миру. Были предусмотрены меры по обеспечению ремонта композитных конструкций непосредственно на местах.

Новизна конструкции потребовала и соответствующих затрат.

Неудивительно что программа создания Boeing -787 обошлась в 32 млрд. дол.

Стоила ли овчинка выделки? Судите сами.

За 10 лет на Boeing 787 получено 1 223 нетто-заказа на сумму до 300 млрд. дол. !

Он-самый активно продаваемый широкофюзеляжный американский самолёт в истории.

Для сравнения, за 35 лет было продано 1 204 единицы Boeing 767.

В заключении необходимо указать еще на один факт- американские компании мировые лидеры в разработке, производстве и использовании композитных материалов.

В Америке накоплен большой научно-практический опыт в данной области, в том числе и навыки ремонта силовых композитных элементов авиалайнеров.

Подведем итог 1 части:

1.Основное преимущество композитов, перед алюминиевыми сплавами –упругость, а вовсе не масса. Так плотность композитов достигает 2000 кг/м3,-аналогичный показатель алюминия 2700 кг/м3, а плотность специальных сплавов и того меньше.

2.Использование свойств упругости композитов в конструкции Boeing 787, позволило создать «длинное» крыло (размах крыла- 60 м), идеальное с точки зрения аэродинамики. Это позволило получить существенную экономию топлива (15-20%), и небывалый, до этого уровень комфорта для пассажиров.

3.Наибольший экономический эффект от применения крыла из композитов достигается на протяженных трассах. На авиатрассах средней и малой протяженности полученный эффект снижается, вплоть до отрицательных значений.

4.Для успешной эксплуатации композитного крыла, необходима развитая система сервисного обслуживания, диагностики и передачи оперативной информации о состоянии конструкции во время эксплуатации.

5.Необходимые исследования в организацию производства и сервиса длинного композитного крыла требуют колоссальных средств и времени.

6.С учетом размера инвестиций, достигнуть окупаемости проекта возможно только при масштабном тиражировании изделия. В данном конкретном случаи счет идет на тысячи.

7.В свою очередь необходимость достижения заданных количественных показателей требует доступа к глобальному (мировому рынку сбыта). В случае с Boeing 787 сделано это было за счет привлечения большого количества субподрядчиков из Великобритании, Японии, Италии и др. стран. Взамен на свое участие в программе производства В-787 иностранные поставщики, обязались заказать большое количество готовых авиалайнеров, отказавшись от продукции Airbus-главного конкурента Boeing.

Окончание 1 части.

Во второй части будет изложена история появления проекта МС-21,которая само по себе представляет большой интерес.