Если вы решили идти в ногу со временем и приобрести самолет из композитных материалов, то стоит обратить внимание не только на рекламные проспекты с изящными воздушными судами, формы которых будто вылизаны из цельного куска. Необходимо иметь некоторые знания об особенностях их эксплуатации. Так ли они долговечны и стойки?
15 лет назад мировая авиационная отрасль отмечала 100-летие первого полета моторного самолета братьев Райт. Он длился всего около минуты. В настоящее время человечество летает в космос, а дальнемагистральные рейсы за океан стали обыденностью. Благодаря мечте, упорству неисчислимых энтузиастов и профессионалов, человечество достигло этих успехов за сравнительно короткий исторический промежуток. Начав с примитивных деревянных конструкций первых самолетов и планеров, заканчивая современными аппаратами из композитных материалов на базе смол, стеклотканей и углеволокна. Материаловедение, а также прогресс в химии, дали авиационным (и не только) конструкторам материал, дающий большой простор для идей в проектировании элегантных обтекаемых воздушных судов.
Однако, несмотря на стереотипы, история ламинатов и композитов значительно старше, чем авиации. Ведь что такое композит? Проще говоря, это – материал изготовленный минимум из двух компонентов, свойства которого лучше, чем у одного из них. Самый древний композит – глиняный кирпич укрепленный соломой появился за около 800 лет до нашей эры. В свою очередь ламинат – специфический вид композитного материала, образующийся в результате сочетания двух материалов с разными свойствами, уложенных слоями, между которыми находится клеящее вещество (смола, клей).
Самый старый ламинат – материал, производившийся в древней Японии и Китае еще в V веке до нашей эры. Обычно это были слои бумаги или ткани, пропитанные самоотверждающимся соком растения «сумака». Такой материал называется «лака» и обычно служил для изготовления украшений, но другие виды лаки использовались для усиления и предохранения от влаги конструкций деревянных судов. Используемая в древнем Китае технология дошла до нас и применяется при изготовлении самолетов, лодок, яхт и спортивного инвентаря. Однако история известных нам ламинатов в авиации началась в 1931 г.
Тогда был запатентован способ создания стекловолокон. В 1942 г. было впервые применено сочетание смолы и стеклоткани, годом позже были сделаны удачные попытки применения стеклопластиков для военных целей в Германии и в США. В 50-х годах прошлого века разработана технология создания дешевых смол с химическим отвердением и методы их сочетания со стекловолокнами. Простая и доступная даже для примитивного производства технология пропитки стеклотканей смолой произвела революцию в изготовлении лодок, самолетов, планеров и другой малосерийной продукции. Свобода в выборе форм изделий, обеспеченная новым материалом, и простота его использования вызвала резкий скачок в развитии стекловолокон и стеклопластиков.
В 1961 году в лабораториях были получены первые образцы углеволокна, а семнадцатью годами позже – арамидные волокна. В 1968 год появился первый в мире планер выполненный целиком из композитных материалов – Phoebus.
Как изготавливаются стеклопластиковые элементы?
Первым этапом подготовки к производству композитной конструкции является изготовление модели в масштабе 1:1, с которой затем снимаются матрицы. В матрицу первым слоем наносится гелькоут. Обычно это та же самая смола, которая затем будет использоваться для пропитки стеклоткани, но с добавлением красителя. Собственно гелькоут будет затем предохранять элемент от атмосферных воздействий (вода, лет, снег).
После отвердения гелькоута до определенной степени, зависящей от технологии, укладываются по очереди слои ткани, которые последовательно пропитываются смолой. Ткань может из стекло- или углеволокон, кевлара и т.д., а также иметь различные методы сплетения. Пропиточный материал – эпоксидные, полиэстеровые или винилэтеровые смолы в соответствие с техническими требованиями к ткани. В процессе укладки вклеиваются усиливающие элементы (шпангоуты, лонжероны и т.п.) и крепления для внутреннего оборудования.
Часто различные элементы, например, шпангоуты или нервюры крыльев, изготавливаются в отдельных матрицах, а затем вклеиваются в более крупные элементы конструкций. Большинство больших деталей (крылья, фюзеляж, хвостовое оперение) делаются из двух половинок, а после окончания формовки и установки внутренних деталей (нервюр, шпангоутов, креплений) склеиваются в единое целое. Некоторые объемные элементы внутри конструкции изготавливаются из пенопласта и оклеиваются стеклотканью.
Планеры и ультралегкие самолеты, изготовленные из стеклопластика на эпоксидной основе имеют ограничения по эксплуатации температуре окружающей среды 55°C. Выше этой температуры эпоксидная смола начинает размягчаться и теряет свои свойства. Большинство воздушных судов из этого вида материала окрашивается в белый цвет, чтобы уменьшить нагрев конструкций от солнца во время полета или на земле.
Зимой или при низких температурах смолы становятся хрупкими. Об этом стоит помнить, если вы совершаете полеты зимой и летом. Изменение цвета воздушного судна или оклеивание декоративными элементами разных цветов вызывает разницу в температуре нагрева отдельных областей поверхности и, как следствие, образование микротрещин на границе перехода цвета. Топливные баки большинство самолетов из таких материалов выклеены как единое целое с фюзеляжем или крыльев. Окраска или оклейка области крыла, где находится топливный бак, может вызвать образование в топливе пузырьков воздуха, а затем – воздушных пробок в топливопроводе, что потенциально грозит перебоями в работе двигателя и/или его остановкой. В европейских климатических условиях размещение на белой поверхности голубой (RAL 5017) наклейки вызывает рост температуры стеклопластика на 18°C, при температуре окружающей среды 30°C.
Композиты на основе винилэстерных смол достаточно широко используются в США, у них более широкий рабочий диапазон температур + 75°C – 25°C. Самолеты из таких материалов обычно окрашивают в различные цвета и в сочетания цветов без ущерба для конструкции. Следует отметить, что стеклоткани, несмотря на общепринятое мнение, не являются абсолютно водостойкими. Поэтому самолет из композитных материалов подвергается негативному влиянию окружающей среды. При его эксплуатации нужно обращать особое внимание на состояние внешних слоев – краски и гелькоута.
Часто из-за механического воздействия гелькоут трескается, образуются микротрещины и «паучки». Не стоит игнорировать такие повреждения, поскольку они могут означать и повреждения нижних слоев и даже целых элементов. Даже только поверхностные микротрещины могут впоследствии вызвать более глубокие повреждения. Например, если в них попадает вода, которая при замерзании начинает расширяться, углублять трещины и разрушать конструкцию. То же самое касается и влаги, конденсируемой внутри конструкций, если она плохо проветривается.
Чтобы был понятен механизм коррозии этих видов материалов, можно привести пример воздушного винта (пропеллера) гидросамолета композитного материла, например, дерева ламинированного стеклотканью. Во время взлета с воды удары капель от разбрызгиваемой поверхности вызывают микротрещины на наружном слое (гелькоуте). Вода проникает с каждым разом все глубже и становится причиной коррозии и разбалансировки. Разбалансировка вызывает вибрацию, которая в свою очередь усугубляет состояние всех элементов конструкции (а особенно коренного подшипника двигателя или редуктора, но это уже тема для другой статьи). Подобное явление, только в более растянутом промежутке времени, происходит и планером самолета. Подходящим случаем для осмотра состояния гелькоута может быть мытье самолета и его консервация.
На/в композитном самолете, если его не мыть, из-за оседающей пыли и грязи образуются плесень и грибки. Последние вредны и для здоровья человека. Они могут образовываться в различных уголках всей конструкции, каналах, пустотах и даже на внутренних поверхностях моторного отсека. На снимках видны фрагменты обшивки самолета, атакованной плесенью, а также следующим звеном этой пищевой цепочки – слизняком, питающимся плесенью.
Композитные материалы, в том числе и стеклопластики являются прекрасным конструктивным материалом, а построенные из них самолеты имеют красивые обтекаемые формы, но также требуют ухода и знаний об их свойствах, как и другие материалы.
Андрей Бочкарев
