ПАНЕЛЬ ИЗ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
PANEL OF LAMINAR COMPOSITES

Изобретение относится к высоконагруженным элементам конструкций планера самолета - фюзеляжу, крылу, килю и стабилизатору, содержащих панели, выполненные из композиционных материалов.
Конструкция планера самолета, содержащая панели из композиционных материалов, имеет меньшую массу, по сравнению с аналогичной конструкцией из металлов, при выполнении требований по прочности, жесткости и устойчивости. Это достигается за счет более высоких относительных прочностных и жесткостных параметров в направлении армирования современных композиционных материалов по отношению к металлам. Реализовать высокие свойства современных композиционных материалов в высоконагруженных панелях возможно при рациональном распределении материалов, их анизотропии и толщин в конструкции в соответствии с действующими потоками усилий. При этом значительную роль играет способность обшивки панелей не только воспринимать внешние нагрузки, но и сохранять несущую способность после ударного воздействия на нее посторонними предметами типа града и мелких камней при взлете и посадке. Удар в слоистую обшивку из композиционных материалов постороннего предмета радиусом 8 мм с энергией свыше 5 Дж вызывает расслоение в слоистой обшивке. При энергии удара 35 Дж возникают расслоения, вызывающие значительное (более чем в 4 раза) местное снижение несущей способности обшивки при сжатии (в статье Васильев В.В., Разин А.Ф. Экспериментальные методы исследования ударного воздействия на слоистые композиты // Вопросы оборонной техники. Серия 15. - 2012. - Выпуск 1(164)-2(165). С.40-44). Существует проблема создания панели из композиционных материалов минимальной массы с учетом ударного воздействия на ее обшивку.
Известен способ получения однослойной оболочки методом косослойной продольно-поперечной намотки (описан на 47 странице в книге Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; Под общ. Ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.). Метод заключается в том, что слой продольно-поперечного армирования формируется на цилиндрической оправке в пределах технологической ленты, укладываемой спирально-винтовой намоткой с малой подачей. Набор требуемой толщины слоя осуществляется за один ход раскладывающего устройства. Лента образуется нитями кольцевого армирования и нитями продольного армирования, ориентированными под углом 10÷30° относительно образующей поверхности оправки, обертывающими ленту с нитями кольцевого армирования нитями продольного армирования с вертлюга. Нити кольцевого армирования пропитываются связующим в процессе намотки «мокрым» способом, а пропитка сухих продольных нитей осуществляется на оправке за счет избытка связующего в кольцевых нитях. Этот способ позволяет получить однослойную обшивку необходимой толщины в общем случае из различных нитей в кольцевом и осевом направлениях с заданной анизотропией свойств, менее чувствительную к ударам, чем слоистая обшивка панели, имеющая цилиндрическую или слабоконическую форму поверхности.
Известен способ изготовления узла соединения элементов планера самолета из полимерных композиционных материалов, включающих выполнение каркаса элементов, например несущих панелей крыла или консоли стабилизатора, на форме с разделительным слоем из антиадгезионного эластичного материала, например из силиконовой резины с продольными для стрингеров и поперечной для силового пояса канавками, укладкой с натяжением в канавки непрерывного жгута из однонаправленных углеродных нитей, пропитанных синтетическим связующим, с образованием нахлестов в перекрестиях канавок по патенту РФ №2412860 с приоритетом от 28.12.2009. Наличие в панелях только силовых наборов в виде стрингеров, без дополнительных силовых наборов, в других направлениях требует повышенных толщин обшивки, что приводит к увеличению числа слоев в обшивке и, соответственно, повышению чувствительности панели к повреждению посторонними предметами. Отсутствие дополнительных к стрингерам силовых наборов не позволяет максимально реализовать высокие механические характеристики композиционного материала в панелях.
Известна композитная панель, имеющая обшивку, полученную прессованием смолы, армированной волокнами, в виде плоской обшивки и ребер, уложенных рядами на одной стороне обшивки, и композитный материал, покрывающий ребра и пришитый к обшивке с последующей пропиткой материалов смолой и отверждением под давлением или вакуумированием по патенту US 20020081415 A1 от 27.06.2002. Обшивка панели имеет плоскую поверхность, что снижает область ее применения. Наличие в панели силовых наборов в виде стрингеров только с поперечным силовым набором требует повышенных толщин обшивки, что приводит к увеличению числа слоев в обшивке и, соответственно, повышению чувствительности панели к повреждению посторонними предметами. Отсутствие дополнительных к стрингерам силовых наборов не позволяет максимально реализовать высокие механические характеристики композиционного материала в панелях.
Известна сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов, образованная из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, и дополнительными короткими ребрами из нитей и (или) из ткани, ориентированными в продольном направлении и неравномерно распределенными по периметру по патенту РФ №2392122 с приоритетом от 05.11.2008. Предложенная сетчатая оболочка вращения, обладая устойчивостью, прочностью, жесткостью и сравнительно низкой массой, не может быть использована в качестве панели с обшивкой, необходимой для оболочки планера кривизны поверхности с ребрами различной высоты.
Известна панель из композиционных материалов, описанная на странице 79 в книге Житомирского Г.И. Конструкция самолетов: Учебник для студентов авиационных специальностей вузов. М: Машиностроение, 1955. - 416 с. Описанная панель из композиционных материалов состоит из гладкой слоистой обшивки из слоев лент из нитей с ориентацией их вдоль панели - 0°, под углами ±45° и под углом 90°, пропитанных полимерной матрицей, соединенной со стрингерами из композиционного материала прямоугольного профиля в поперечном сечении. Наличие в панелях только стрингеров без дополнительных силовых наборов требует повышенных толщин обшивки, что приводит к увеличению числа слоев в обшивке и, соответственно, повышению чувствительности панели к повреждению посторонними предметами. Отсутствие дополнительных к стрингерам силовых наборов не позволяет максимально реализовать высокие механические характеристики композиционного материала в панелях.
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка панели из слоистого композиционного материала для планера самолета минимальной массы с достаточной жесткостью, прочностью и устойчивостью при эксплуатации и пониженной повреждаемостью обшивки посторонними предметами. Одновременно в предлагаемой конструкции предусмотрено решение задач по энергосбережению при эксплуатации самолета и защите поверхности обшивки от статического электричества и атмосферного воздействия окружающей среды.
Технический результат достигается рациональным распределением композиционных материалов в силовых наборах и обшивке панели, а так же применением дополнительных внешних покрытий.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного результата в известной панели из слоистых композиционных материалов, содержащей обшивку с гладкой, пологой геометрической формой наружной поверхности, скрепленную с силовыми наборами, в соответствии с предлагаемым изобретением силовые наборы выполнены в виде системы скрепленных с обшивкой перекрещивающихся ребер, состоящих из слоев однонаправленных высокопрочных (высокомодульных) нитей и (или) ткани, скрепленных полимерным связующим, ориентированных вдоль геодезических линий на внутренней поверхности обшивки, причем толщина и высота ребер, в общем случае, различны.
Обшивка предлагаемой панели может состоять из системы кольцевых и спиральных нитей, скрепленных полимерным связующим, полученной методом косой продольно-поперечной намотки.
Обшивка предлагаемой панели может иметь только один слой из термопластичного или тканого материала, пропитанного полимерным связующим.
На наружной поверхности обшивки предлагаемой панели может быть наклеена металлическая фольга.
На наружной поверхности обшивки предлагаемой панели могут быть закреплены солнечные батареи.
Отличительными особенностями заявляемой панели из слоистых композиционных материалов являются следующие признаки:
- силовые наборы выполнены в виде системы перекрещивающихся ребер, скрепленных с обшивкой;
- ребра состоят из слоев однонаправленных высокопрочных (высокомодульных) нитей и (или) ткани, скрепленных полимерным связующим;
- ребра ориентированы вдоль геодезических линий на внутренней поверхности обшивки;
- толщина и высота ребер, в общем случае, различны;
- обшивка может иметь только один слой;
- обшивка состоит из системы кольцевых и спиральных нитей, скрепленных полимерным связующим, полученной методом косой продольно-поперечной намотки;
- один слой обшивки может состоять из термопластичного материала или тканого материала, пропитанного полимерным связующим;
- на наружной поверхности обшивки может быть наклеена металлическая фольга;
- на наружной поверхности обшивки могут быть закреплены солнечные батареи.
При эксплуатации в составе планера самолета панели из композиционных материалов нагружаются давлением на обшивку распределенными и сосредоточенными силами и изгибающими моментами. Как показывает опыт работы с цилиндрическими оболочками сетчатой структуры из композиционных материалов при подобных нагрузках рациональное распределение количества ребер, их высоты, толщин, траекторий укладки позволяет максимально реализовать высокие механические характеристики высокопрочных (высокомодульных) нитей и получить конструкции меньшего веса по отношению к другим силовым схемам этих конструкций из композиционных материалов. Слоистая структура из нитей позволяет автоматизировать процесс формирования ребер заданной высоты и толщины. Система перекрещивающихся ребер, скрепленных с обшивкой, позволяет рационально перераспределить давления на поверхности панели планера между обшивкой и ребрами. Ориентация ребер вдоль геодезических линий на внутренней поверхности обшивки обеспечивает устойчивое положение слоев ребер в процессе их автоматизированной укладки. Различная толщина и высота ребер позволяет получить минимальную массу панели, нагружаемой переменными давлением, усилиями и изгибающими моментам. Один слой в обшивке панели позволяет снизить влияние ударных воздействий на ее прочность по сравнению с многослойной обшивкой панели. Слой обшивки из системы кольцевых и спиральных нитей, скрепленных полимерным связующим, полученный методом косой продольно-поперечной намотки, позволяет получить достаточно толстую обшивку с оптимальной анизотропией механических характеристик. Обшивка из слоя термопластичного материала или тканого материала, пропитанного полимерным связующим, может иметь достаточно малую толщину (менее 0,5 мм), необходимую в панелях малой авиации. Для снятия статического электричества и защиты от влаги на наружной поверхности обшивки может быть наклеена металлическая фольга. Для экономии топлива во время полета в светлое время суток возможно использование солнечных батарей, закрепленных на наружной поверхности обшивки.
Указанные признаки являются существенными, так как каждый из них направлен на достижение заданного технического результата в соответствии с поставленной задачей. В технических решениях предшествующего уровня их использование не обнаружено.
Изобретение поясняется фиг.1 и 2. На фиг.1 в изометрической проекции показан вид на панель с внутренней стороны. На фиг.2 в увеличенном масштабе показано поперечное сечение ребра с обшивкой.
Панель из слоистых композиционных материалов (фиг.1) содержит обшивку 1, ребра 2, 3, 4, ребро 5 различной толщины и высоты, ориентированные на внутренней поверхности обшивки 6 вдоль геодезических линий 7.
На фиг.2 показано поперечное сечение ребра 5 панели, состоящего из нескольких слоев 8, соединенного с обшивкой 1, которая может состоять из одного слоя 9. На наружной поверхности обшивки 1 может быть наклеена металлическая фольга или закреплены солнечные батареи 10.
Предлагаемая панель из слоистых композиционных материалов может быть изготовлена автоматизированным методом на серийно выпускаемых намоточных либо выкладочных станках с формированием ребер в пазах антиадгезионной, эластичной, например, силиконовой резины по известным технологиям с последующей термообработкой.
Толщина и параметры анизотропии обшивки, количество, толщины, высота и ориентация системы ребер зависят от конкретных условий нагружения панели и определяются специальным расчетом для определенных высокопрочных (высокомодульных) нитей и (или) ткани и связующего.