СИСТЕМА ЗАЩИТЫ СИЛОВЫХ КОМПОЗИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
SYSTEM OF PROTECTION OF AIRFRAME LOAD-BEARING COMPOSITE ELEMENTS

Изобретение относится к области авиации, в частности к области разработки силовых авиационных конструкций крыла и фюзеляжа из полимерных композиционных материалов и их защите.
Одной из ключевых проблем обеспечения прочности силовых композитных конструкций является их низкая ударостойкость и подверженность влиянию климатических факторов (например, влажность, температура) в процессе эксплуатации.
Рассмотрим случай, когда композитная конструкция подвергается ударному воздействию невысокой интенсивности, не приводящему непосредственно к критическому уменьшению прочностных свойств. В результате ударов в конструкции появляются микротрещины, в которые в свою очередь может попадать вода. Под воздействием колебаний температуры окружающей среды эта вода может превращаться в лед и приводить к ослаблению прочности композиционного материала. Таким образом, комплексное длительное воздействие неблагоприятных факторов приводит к критической деградации прочностных свойств конструкции. Для обеспечения прочности таких конструкций при длительном комплексном воздействии неблагоприятных факторов (длительная прочность) существуют различные способы и системы защиты.
Например, композитные авиационные конструкции могут быть защищены от окисления посредством импрегнирования композицией, растворенной в водной среде и содержащей по меньшей мере одно фосфорсодержащее соединение (патент РФ №2405759, МПК С04В 41/85, СНЕКМА ПРОПЮЛЬСЬОН СОЛИД (FR), 28.11.2006). Таким же образом защищают композитные тормозные диски, используемые в авиационной промышленности, при их изготовлении. Однако данный подход не применим для защиты конструкций крыла и фюзеляжа от ударных повреждений, характерных для этих конструкций.
В настоящее время большинство современных авиационных конструкций фюзеляжа из композиционных материалов разрабатывается на основе традиционных конструктивно-силовых схем, широко применяемых в металлических авиаконструкциях. В таких конструкциях основными силовыми элементами, воспринимающими все факторы нагружения, служат обшивка и продольно-поперечный подкрепляющий набор из стрингеров и шпангоутов. (Патент РФ №2505453, МПК В64С 1/06, B64F 5/00, ЭЙРБАС ОПЕРЕЙШНЗ, СЛ. (ES), 14.05.2009.) Поскольку композитная обшивка является одним из основных силовых элементов такой конструкции, для обеспечения ее защиты от ударных повреждений и климатических воздействий необходимо обеспечить защиту всей внешней и внутренней поверхностей. Длительная прочность такой конструкции в случае длительного срока эксплуатации достигается, как правило, за счет увеличения толщины обшивки. Недостатком этого технического решения является большой вес защитной оболочки.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является защитная оболочка из композиционных материалов, содержащая наружную и внутреннюю обечайки (обшивки), скрепленные с армированным арочной системой промежуточным слоем пенопласта (защитного наполнителя) (патент РФ №2096678, МПК F16L 58/04, F16L 9/12, Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения, 20.11.1997), принятая в качестве прототипа.
Недостатком прототипа также является большой вес особенно фюзеляжных авиационных конструкций.
В сетчатых/рамных авиаконструкциях площадь поверхности силовых элементов (ребер) в 3-5 раз ниже, чем площадь поверхности силовых элементов (обшивок и подкрепляющего набора) в традиционных композитных конструкциях. Это обстоятельство дает возможность реализовать принципиально новый подход к обеспечению длительной прочности данного типа композитных авиаконструкций путем обеспечения надежной и долговременной защиты силовых элементов от факторов внешней среды, включая ударные и климатические воздействия.
Техническим результатом предлагаемой системы защиты является обеспечение с минимальными весовыми затратами длительной прочности сетчатых/рамных композитных авиаконструкций с учетом требований по ударной прочности и устойчивости к деградации свойств под действием климатических факторов.
3
3
2
3
Технический результат достигается тем, что в системе защиты силовых композитных элементов авиационных конструкций, содержащей внешнюю и внутреннюю обшивки, а также промежуточный слой защитного наполнителя, введен первичный защитный слой, вплотную прилегающий к внешней поверхности защищаемого силового элемента авиационной конструкции - ребра сетчатого каркаса из однонаправленного композиционного материала, который расположен между внутренней и внешней обшивками. При этом внешняя обшивка выполнена из армированного композиционного материала с удельным весом не более 1,5 г/см и высокой влагонепроницаемостью, первичный защитный слой выполнен из материала с высоким энергопоглощением, внутренняя обшивка выполнена из материала с удельным весом не более 1,5 г/см, с предельной деформацией на растяжение не менее 3%, прочностью на растяжение не менее 15 кг/мм, промежуточный слой защитного наполнителя выполнен из материала с удельным весом не более 0,3 г/см.
На фигуре 1 изображена принципиальная схема системы защиты силовых композитных элементов сетчатой авиаконструкции.
На фигуре 2 изображен фрагмент силового сетчатого/рамного каркаса из однонаправленных композитных ребер.
Система защиты предназначена для использования в композитных авиационных конструкциях, где основным силовым элементом служит каркас из ребер, изготовленных из однонаправленного композиционного материала, и включает следующие основные элементы (Фигура 1):
- первичный защитный слой 1 из материала с высоким энергопоглощением, расположенный вплотную к ребру 2, выполненному из однонаправленного композита. Выполняет функции защиты от ударных воздействий и является основной защитой ребер от климатических воздействий. При плотном обжатии ребра 2 может также увеличивать устойчивость ребра при сжатии в направлении ориентации волокон;
2
2
- внутреннюю обшивку 3 из материала с относительным удлинением не менее 3%, прочностью на растяжение не менее 15 кг/мм, ударной вязкостью не менее 250 кДж/м, расположенную с внутренней стороны конструкции. Выполняет функции защиты от ударных воздействий изнутри по нижней и боковым граням ребра 2;
3
- промежуточный слой защитного наполнителя 4 из материала с удельным весом не более 0,3 г/см, используемый для заполнения свободного пространства между внешней 5 и внутренней 3 обшивками. Выполняет функции защиты от климатических воздействий, защиты боковых поверхностей ребер от ударных воздействий, тепло- и звукоизоляции;
3
- жесткую внешнюю обшивку 5 из армированного композиционного материала с высокой влагонепроницаемостью и с удельным весом не более 1,5 г/см, расположенную с внешней стороны. Выполняет функции защиты ребра от ударных воздействий снаружи, а также от климатических воздействий. Совместно с внутренней обшивкой 3 и наполнителем 4 обеспечивает герметичность при внешних ударных воздействиях, приходящихся на зоны между силовыми ребрами.
Предложенная система защиты обеспечивает многоуровневую защиту силовой композитной конструкции от ударных и климатических воздействий (например, влажность, температура) за счет включения в систему защиты силовых элементов конструкции обшивок, первичного защитного слоя и промежуточного защитного слоя, обладающих высокими распределительными/рассеивающими и ударопоглощающими свойствами, а также устойчивые к климатическому воздействию.
При комплексном воздействии неблагоприятных факторов (ударном и климатических воздействиях) система защиты работает следующим образом:
- внешняя обшивка 5 за счет высоких эластичных и прочностных свойств рассеивает и частично поглощает энергию удара, увеличивая для следующего уровня защиты зону взаимодействия от ударных нагрузок и снижая интенсивность ударного нагружения. Также она является защитой ребер от внешних климатических воздействий;
- первичный защитный слой 1 и промежуточный слой защитного наполнителя 4 поглощают значительную часть энергии удара за счет упругопластических деформаций, распределяя энергию удара для ниже лежащих зон силовых ребер и доводя уровень ударного взаимодействия до безопасных величин, а также являются основной защитой ребер от климатических воздействий;
- эластичная внутренняя обшивка 3 выполняет роль внешней обшивки 1 при ударных воздействиях изнутри и обеспечивает дополнительную защиту силовых ребер от климатических воздействий изнутри.
Основными преимуществами предложенной системы являются:
1. Возможность надежного обеспечения длительной прочности композитной конструкции путем защиты силовой конструкции от ударных и климатических воздействий при небольших весовых затратах
Длительную прочность силовой композитной конструкции предполагается обеспечить путем максимальной защиты конструкции от внешних воздействий. Топология силового каркаса позволяет реализовать защиту силовой конструкции с малыми весовыми затратами, что обусловлено сравнительно небольшой площадью внешней поверхности ребер. Такой подход практически невозможно эффективно осуществить при использовании композитов в рамках традиционных конструктивных схем, где потребовалось бы защищать всю площадь силовой композитной обшивки.
2. Возможность реализации синергетических эффектов от использования элементов системы защиты
При использовании системы защиты в фюзеляжных конструкциях внутренняя обшивка, используемая в качестве защитного элемента, может служить также для восприятия внутреннего наддува. Первичный защитный слой может использоваться для обжатия ребер и их пересечений, что может повысить характеристики устойчивости ребер, а также для предотвращения распространения трещин в сетчатых ребрах.