ОСНАСТКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ОРГАНА УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Область техники.
Полезная модель относится к авиационной и космической технике и касается конструкции оснастки для изготовления аэродинамического органа управления летательного аппарата, в частности, интерцептора, который служит для уменьшения подъемной силы крыла летательного аппарата, а также является органом поперечной управляемости самолета. Полезная модель предназначена к использованию при выполнении аэродинамического органа управления из полимерного композиционного материала (ПКМ) на основе волокнистого наполнителя из химических органических и неорганических волокон (например, стекловолокна, углеродные волокна, базальтовые волокна) и с применением технологии формования с пропиткой заготовки армирующего наполнителя (сухой преформы) полимерным связующим непосредственно в оснастке.
Уровень техники
За последние десятилетия значительно возросло использование полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе высокопрочного искусственно волокна для изготовления конструкций летательных аппаратов. Снижение массы, получаемое благодаря использованию ПКМ вместо металлических материалов, стало одним из основных факторов, обусловивших их использование. Полимерные композиционные материалы обладают высокими удельными статическими и динамическими характеристиками, сочетающимися с высокой коррозионной стойкостью. Низкая скорость распространения трещин (в том числе усталостных), высокая вязкость разрушения, ударо- и вибропрочность позволяют применить ПКМ, в том числе, в конструкциях элементов механизации крыла летательных аппаратов.
При анализе уровня техники рассматривались конструкции оснасток, используемых для формования аэродинамических органов управления летательного аппарата, выполненных из полимерных композиционных материалов.
Известна оснастка для изготовления аэродинамического органа управления летательного аппарата, включающая герметичную форму, состоящую из верхней и нижней частей, с внутренними формообразующими поверхностями, и формообразующие дорны (стержни), укладываемые в ряд внутри полости, образованной между частями формы. Дорны определяют конфигурацию отсеков, на которые разделен лонжеронными стенками раствор угла между обшивками аэродинамического органа управления. На каждый из дорнов наматывают ленты из стекловолокна, пропитанные искусственной смолой. Снаружи ряд дорнов с намотанными на них лентами охватывают слоями стекловолокна, пропитанными смолой (см. SU 308562 А1). Используемые при формовании аэродинамического органа управления детали и узлы оправки не предусматривают элементы, обеспечивающие необходимое уплотнение пропитанных смолой лент и слоев из стекловолокна. В результате возможно расслаивание готового изделия и, как следствие, его низкая надежность и сокращение сроков его эксплуатации.
Известна оснастка для изготовления аэродинамического органа управления летательного аппарата, включающая форму, состоящую из верхней и нижней частей с внутренними формообразующими поверхностями, и формообразующие дорны, охватываемые эластичными оболочками и укладываемые в ряд внутри полости, образованной между частями формы. Дорны определяют конфигурацию отсеков, на которые разделен лонжеронными стенками раствор угла между обшивками аэродинамического органа управления. На дорны с эластичными оболочками наматывают предварительно пропитанный полимерным связующим волокнистый наполнитель. В результате получают блок дорнов, вокруг которого формируют обшивочную часть формуемого изделия путем обмотки блока волокнистым наполнителем, пропитанным полимерным связующим. Опрессовка изделия в форме обеспечивается подачей рабочей среды под давлением в полость эластичных оболочек (см. SU 1785910 А1). В отличие от конструкции по SU 308562, в данной оправке, благодаря использованию эластичных оболочек, охватывающих дорны, обеспечивается необходимое уплотнение пропитанных смолой волокнистых наполнителей, что позволяет исключить расслаивание готового изделия.
Однако оснастка по SU 1785910 (также как и оснастка по SU 308562) предназначена для формования изделий по технологии, основанной на использовании волокнистых наполнителей, предварительно пропитанных полимерным связующим (препрегов), и не позволяет обеспечить назначение, предусмотренное заявляемой оснасткой, а именно: формование изделий с пропиткой заготовки армирующего наполнителя (сухой преформы) полимерным связующим непосредственно в оснастке.
В качестве ближайшего аналога принята оснастка для изготовления аэродинамического органа управления летательного аппарата из полимерного композиционного материала, включающая форму, состоящую из верхней и нижней частей (из двух полуформ), скрепляемых одна с другой с образованием единой герметичной формообразующей полости, в которой производится формование аэродинамического органа управления летательного аппарата, и формообразующие элементы, размещенные внутри указанной полости оснастки в соответствии с конфигурацией изделия. Оснастка снабжена впускными штуцерами для подачи связующего в формообразующую полость, и выпускными штуцерами, через которые связующее выходит наружу, что позволяет контролировать завершение пропитки. Впускные штуцеры подсоединены со стороны основания нижней части оснастки, а выпускные выведены наружу из верхней части оснастки (см. ЕР 1595787 А1). Подача связующего обеспечена вертикально снизу вверх восходящим потоком, который сначала охватывает нижнюю преформу, пропитывая ее, и перетекает в верхнюю часть формы, неравномерно облегая формообразующие элементы. При такой пропитке давление связующего в нижней части оснастки гораздо выше, чем в верхней, и поэтому увеличивается риск разгерметизации нижней части оснастки. Кроме того, толщины изделия в нижней части оснастки будут больше, чем в верхней. Получаемое в результате изделие имеет низкое качество из-за его разнотолщинности и неравномерного распределения связующего в волокнистом наполнителе. Причем, используемая в известной оснастке схема подачи связующего накладывает ограничения при выборе высоты помещения, в котором устанавливается оснастка.
Задачей полезной модели является разработка конструкции оснастки, в которой может быть обеспечено формование аэродинамического органа управления летательного аппарата необходимой геометрии из полимерного композиционного материала с пропиткой сухой преформы связующим непосредственно в оснастке.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой полезной модели, заключается в повышении качества готового изделия за счет обеспечения равномерности пропитки преформы связующим и исключения возможности получения разнотолщинного изделия, а также в повышении удобства эксплуатации.
Для достижения указанного технического результата предлагается оснастка для изготовления аэродинамического органа управления летательного аппарата из полимерного композиционного материала включающая форму, состоящую из верхней и нижней частей - полуформ, с внутренними формообразующими поверхностями, скрепляемых одна с другой с образованием замкнутой формообразующей полости, и торцовых пластин, закрывающих полуформы с торцов оснастки, формообразующие дорны с охватывающими их эластичными оболочками, укладываемые в ряд параллельно друг другу внутри полости формы с образованием боковых промежутков между ними и определяющие конфигурацию отсеков, на которые разделен лонжеронными стенками раствор угла между обшивками аэродинамического органа управления, и средство подачи через дорны избыточного давления на растягивание эластичных оболочек. Каждая из частей формы или одна из ее частей снабжена впускным штуцером для подачи полимерного связующего в формообразующую полость, расположенным со стороны концевых участков дорнов, и выпускными штуцерами для контроля за выходом связующего из полости по окончании пропитки, расположенными в ряд со стороны других концевых участков дорнов,
Для обеспечения подачи через дорны избыточного давления на растягивание эластичных оболочек, дорны имеют полость и сообщающиеся с ней и выходящие на наружную поверхность дорна отверстия.
В оснастке предусмотрен распределительный коллектор, выполненный с возможностью подсоединения к указанному средству подачи избыточного давления или к средству вакуумирования полостей дорнов и сообщающийся с этими полостями.
Каждая из частей формы или одна из ее частей может быть снабжена дополнительным впускным штуцером для подачи полимерного связующего в формообразующую полость, расположенным в центральной зоне соответствующей части формы.
Выпускные штуцеры расположены на участках, находящихся в зонах боковых промежутков между дорнами.
Краткое описание чертежей.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
На фиг. 1 изображена предлагаемая оснастка, вид спереди;
На фиг. 2 - вид по А на фиг. 1;
На фиг. 3 - вид по Б на фиг. 2, с показанным коллектором;
На фиг. 4 - вид по В на фиг. 3;
На фиг. 5 - вид по Г на фиг. 1;
На фиг. 6 - вид по Д на фиг. 3;
На фиг. 7 - вид по Е на фиг. 3, с показанным коллектором;
На фиг. 8 - вид по Ж-Ж на фиг. 2;
На фиг. 9 - вид оснастки в поперечном разрезе;
На фиг. 10 - конструкция готового изделия - аэродинамического органа управления в аксонометрии, в качестве которого показан интерцептор.
Предлагаемая оснастка предназначена для изготовления аэродинамического органа управления летательного аппарата из полимерного композиционного материала и раскрывается ниже на примере изготовления интерцептора.
Оснастка содержит форму, состоящую из верхней части - полуформы 1 и нижней части - полуформы 2. Полуформы соединены одна с другой с образованием внутри формы замкнутой формообразующей полости 3 (фиг. 9), в которой производится формование изделия. Внутренние поверхности полуформ 1 и 2 являются формообразующими поверхностями, соответствующими наружным поверхностям обшивок интерцептора.
С передней стороны формы полуформы 1 и 2 связаны между собой через проставку 4 таврового сечения, проходящую вдоль передней стороны формы (фиг. 8). Верхняя 5 и нижняя 6 полки проставки 4 скреплены соответственно с верхней 1 и нижней 2 полуформами болтами 7 и 8. С задней стороны формы полуформы 1 и 2 соединены между собой болтом 9 (фиг. 1). С боковых сторон форма закрыта щеками 10 и 11, закрепленными на торцах полуформ 1 и 2 болтами.
В процессе формования используют разнокалиберные формообразующие дорны 14а, 14b, 14с, 14d, 14е, 14f, 14g, имеющие одинаковую длину и отличающиеся размерами поперечного сечения (фиг. 9). Каждый дорн представляет собой длинномерный стержень, выполненный из жесткого материала (преимущественно, металла). Наружные поверхности дорнов 14а, 14b, 14с, 14d, 14е, 14f, 14g выполняют по форме внутренней поверхности соответствующих отсеков 16 (фиг. 10, условно показано шесть отсеков), на которые разделен лонжеронными стенками 17 раствор угла между обшивками 33 и 34 формуемого изделия (в частности, интерцептора). В каждом формообразующем дорне имеется внутренняя полость 18 и сообщенные с ней и выходящие на наружную поверхность дорна сквозные отверстия 19.
Каждый из дорнов 14а-14g охватывают эластичной оболочкой (на чертеже не показана) таким образом, что дорн оказывается герметично замкнутым внутри оболочки.
Дорны 14а-14g размещаются в формообразующей полости 3 формы в ряд один за другим в горизонтальной плоскости и продольно, в частности, параллельно друг другу своими продольными боковыми сторонами 20. Дорн 14а, имеющий наибольшие параметры поперечного сечения занимает положение с передней стороны формы. Высота каждого последующего дорна уменьшается в направлении задней стороны формы и, наконец, минимальную высоту имеет концевой дорн 14g.
Полуформа 1 или полуформа 2 формы имеет впускной штуцер 21 (фиг. 5, фиг. 6), предназначенный для подачи через него внутрь формы в формообразующую полость 3 полимерного связующего для пропитки материала заготовки из ПКМ. Предпочтительным является использование двух штуцеров 21 по одному в каждой из полуформ 1, 2. Штуцер 21 встраивается в полуформу 1 и/или полуформу 2 формы на том ее участке 22, который находится на уровне концевых участков 23 дорнов вблизи щеки 11. Кроме того, полуформа 1 или полуформа 2 имеет дополнительный впускной штуцер 24, также предназначенный для подачи через него внутрь формы в формообразующую полость 3 полимерного связующего. Возможно также использование двух таких штуцеров по одному в каждой из полуформ 1,2. Штуцер 24 встраивается в полуформу 1 и/или полуформу 2 на участке 25, который находится в центральной зоне полуформ 1, 2.
В полуформах 1 и/или 2 со стороны, противолежащей расположению штуцера (штуцеров) 21 (т.е. со стороны других концевых участков дорнов) имеются выпускные штуцеры 26, сообщающиеся с полостью формы и расположенные в ряд вдоль щеки 10. Выпускные штуцеры 26 преимущественно расположены на участках, соответствующих зонам промежутков 27 между боковыми сторонами 20 дорнов (фиг. 9). Выпускные штуцеры 26 обеспечивают контроль за выходом связующего из формообразующей полости.
Для обеспечения раздува эластичных оболочек, охватывающих дорны, используется источник подачи рабочей среды под давлением, выпускной трубопровод 28 которого подсоединен к коллектору 29, сообщающемуся с трубками 30 (фиг. 3). Каждая из трубок 30 сообщается с полостью 18 соответствующего дорна 14а-14g. Коллектор 29 выполнен таким образом, что на определенном этапе эксплуатации формы он может подсоединяться к источнику разрежения.
Форма устанавливается на опорах 31 (фиг. 1), смонтированных на нижней части 2, и снабжается кольцевыми захватами 32 для удобства манипулирования частями формы.
Оснастка используется следующим образом.
Предварительно изготавливают формообразующие дорны 14а-14g из жесткого материала (преимущественно, металла). Наружные поверхности дорнов выполняют по форме внутренней поверхности соответствующих отсеков, на которые разделен лонжеронными стенками 17 раствор угла между обшивками 33 и 34 интерцептора. При изготовлении дорна в нем формируют внутреннюю полость 18 и сообщенные с ней и выходящие на наружную поверхность дорна сквозные отверстия 19.
На каждом формообразующем дорне 14а-14g формируют герметичную оболочку из эластичного материала (условно не показана), охватывающую дорн по наружной поверхности. В результате формообразующий дорн оказывается герметично замкнутым внутри оболочки из эластичного материала, сохраняющего свои свойства при повышенных до 200°C температурах. В качестве герметичной оболочки, в которую заключен дорн, используют пленку, обладающую свойствами эластичной мембраны, которая, по определению, представляет собой гибкую тонкую пленку, обладающую упругостью при приведении ее внешними силами в состояние натяжения. Преимущественно, в качестве оболочки используют пленку из силикона (силиконовой резины) или наиритовой резины.
На поверхности герметичной оболочки, охватывающей дорн, устанавливают и фиксируют слои преформы из сухого армирующего наполнителя. Таким образом, получают сборки дорнов, готовые к использованию в процессе формования.
При поднятой в нерабочее положение верхней полуформе 1 на внутреннюю поверхность нижней полуформы 2 укладывают нижние слои сухой преформы, формируя таким образом нижнюю обшивку интерцептора необходимой толщины. На выложенные слои устанавливают и фиксируют ранее подготовленные сборки дорнов 14а-14g (с охватывающими их эластичными оболочками и выложенными поверх оболочек слоями преформы, предпочтительно их углеткани). Установку сборок дорнов производят в один ряд параллельно друг другу, стыкуя каждые соседние дорны их боковыми сторонами (впритык), обеспечивая тем самым в процессе формования формирование лонжеронных стенок 17 интерцептора. Выкладывают на поверхности сборок дорнов необходимое количество верхних слоев преформы, формируя верхнюю обшивку интерцептора необходимой толщины. Скрепляют между собой верхнюю 1 и нижнюю 2 полуформы и закрывают форму с боковых сторон щеками 10 и 11, закрепляя их на торцах полуформ 1 и 2 болтами и прокладывая при этом уплотнения. Обеспечивают таким образом герметичность полости формы.
Через впускные штуцеры 21 внутрь формы в формообразующую полость 3 подают полимерное связующее. Степень заполнения полости формы контролируют по появлению связующего из выпускных штуцеров 26. Наличие нескольких штуцеров 26, расположенных поперек всего пути следования связующего, позволяет судить о необходимой степени заполнении формы связующим при появлении его на выходе каждого из штуцеров. Благодаря расположению штуцеров 26 на участках, соответствующих зонам промежутков 27 между боковыми сторонами 20 дорнов (т.е. на участках пересечения промежутков 27 с промежутками 35 между поверхностями дорнов и формообразующими поверхностями полуформ, в которых происходит формование верхней и нижней обшивок 33, 34 аэродинамического органа управления), получают максимально объективную информацию о заполнении формы связующим.
Когда необходимая пропитка преформы полимерным связующим не вызывает сомнений, подачу связующего выключают, штуцеры 21 и 26 перекрывают.
Для более быстрой и качественной пропитки преформы связующим можно подключать в работу дополнительные впускные штуцеры 24, расположенные на участке 25, который находится в центральной зоне полуформ. Для этого открывают штуцеры 24 перед началом пропитки и фиксируют момент появления связующего из штуцеров 24. Подключают подачу связующего через штуцер 24 и через некоторое время отключают подачу связующего в штуцер 21. Такая схема подачи обусловлена целесообразностью дальнейшей пропитки преформы более коротким путем. Согласно закона Дарси, скорость пропитки пористой преформы (среды) пропорционально зависит от градиента напора. В нашем случае, благодаря использованию дополнительного штуцера 24, располагаемого в средней части оснастки, сокращается путь прохождения связующего по оснастке. Это позволяет сократить продолжительность пропитки и предотвратить гелеобразование связующего в ранее пропитанной области оснастки.
По окончании пропитки преформы при перекрытых штуцерах 21, 26, 24 создают избыточное давление воздуха или инертного газа (подаваемого через внутреннюю полость 18 и сквозные отверстия 19 дорнов 14а-14g) в эластичных оболочках, охватывающих дорны. Под действием давления со стороны эластичных оболочек на слои преформы происходит необходимое равномерное уплотнение слоев по всему объему.
Подготовленную форму помещают в термопечь. Осуществляют формование изделия, при котором производят нагрев оснастки с заложенным в ней технологическим пакетом до заданной температуры, обеспечивающей достижение требуемой при формовании величины вязкости полимерного связующего. После проведения формования, в дорне и охватывающей его эластичной оболочке организуется вакуум подсоединением коллектора 29 к источнику разрежения, благодаря чему обеспечивается «прилипание» эластичной оболочки к наружной поверхности дорна и облегчается удаление оболочки вместе с дорном.
Извлечение из оснастки полученного, в результате формования, отвержденного изделия производят после охлаждения оснастки до температуры не более 50°C. Из извлеченного из оснастки изделия извлекают сборки дорнов. После этого отформованное изделие подвергается необходимой механической обработке и проведению контроля качества и готово к проведению сборки в составе летательного аппарата.
Следует отметить, что предлагаемая оснастка может быть использована и в технологическом процессе, предусматривающем формование изделия из препрега, т.е. из предварительно пропитанного полимерным связующим полимерного композиционного материала.
Для этого на поверхности герметичной эластичной оболочки, охватывающей дорн, устанавливают и фиксируют слои препрега из пропитанного полимерным связующим композиционного материала. Таким образом, получают сборки дорнов, готовые к использованию в процессе формования. При поднятой в нерабочее положение верхней полуформе 1 на внутреннюю поверхность нижней полуформы 2 укладывают нижние слои препрега, формируя таким образом нижнюю обшивку интерцептора необходимой толщины. На выложенные слои устанавливают и фиксируют, аналогичным с ранее описанным процессом образом, подготовленные сборки дорнов 14а-14g. Выкладывают на поверхности сборок дорнов необходимое количество верхних слоев препрега, формируя верхнюю обшивку интерцептора необходимой толщины. Скрепляют между собой верхнюю 1 и нижнюю 2 полуформы и закрывают форму с боковых сторон щеками 10 и 11, закрепляя их на торцах полуформ 1 и 2 болтами. Обеспечивают таким образом герметичность полости формы. Впускные штуцеры 21, 24 и выпускные штуцеры 26 заглушают. Создают избыточное давление воздуха или инертного газа (подаваемого через внутреннюю полость 18 и сквозные отверстия 19 дорнов 14а-14g) в эластичных оболочках. Под действием давления эластичных оболочек на слои препрега происходит необходимое равномерное уплотнение слоев по всему объему.
Подготовленную таким образом форму помещают в термопечь. Осуществляют формование изделия, при котором производят нагрев оснастки с заложенным в ней технологическим пакетом до заданной температуры, обеспечивающей достижение требуемой при формовании величины вязкости полимерного связующего. После проведения формования, в дорне и охватывающей его эластичной оболочке организуется вакуум подсоединением коллектора 29 к источнику разрежения, благодаря чему обеспечивается «прилипание» эластичной оболочки к наружной поверхности дорна и облегчается удаление оболочки вместе с дорном.
Извлечение из оснастки полученного, в результате формования, отвержденного изделия также производят после охлаждения оснастки до температуры не более 50°C. Из извлеченного из оснастки изделия удаляют сборки дорнов. После этого отформованное изделие подвергают необходимой механической обработке и проведению контроля качества и готово к проведению сборки в составе летательного аппарата.