Светлое будущее «черного крыла»
Композитное крыло, которое прозвали «черным крылом» из-за цвета углепластика, считается одной из главных особенностей МС-21. Сегодня оно серийно производится из отечественных материалов на предприятии «АэроКомпозит» Объединенной авиастроительной корпорации. Это стало возможным благодаря успешно проведенной программе замены зарубежных композитов, поставки которых были приостановлены из-за санкций.
Как создается «черное крыло» для новейшего российского лайнера читайте в нашем материале.
Композитные преимущества
Современный лайнер примерно от 30 до 50 процентов состоит из композитных материалов. В конструкции отечественных пассажирских самолетов их стали использовать достаточно давно. Например, еще в 1990-х годах в авиалайнере Ту-204 доля композитов составляла примерно четверть деталей. В самолете Sukhoi Superjet 100 композитными стали закрылки, створки шасси, обтекатели и прочие элементы. В этой «композитной гонке» все отечественные самолеты обогнал новый среднемагистральный МС-21 – на композиты приходится 40% массы лайнера. Это первый отечественный, а также первый в мире в своем классе, самолет с композитным крылом.
Дело в том, что на протяжении долгого времени считалось, что композиты целесообразно использовать только на широкофюзеляжных лайнерах. На узкофюзеляжных самолетах, хоть они и являются самыми массовыми в мире, применение деталей из композитов было ограничено. В проекте МС-21 российские конструкторы наглядно показали преимущества «черного крыла» для среднемагистрального самолета.
Источник: Объединенная авиастроительная корпорация (ОАК)
Композитные материалы позволяют создать крыло более совершенной аэродинамической формы и одновременно легкое, что позволяет снизить расход топлива. Конструкторы всегда пытаются увеличить показатель удлинения крыла – отношения размаха крыла к его средней хорде. С алюминием добиться хорошего результата очень сложно, он имеет большую плотность и вес соответственно. Поэтому при большом удлинении собственный вес конструкции становится большим, особенно в корневой зоне. Значение удлинения алюминиевого крыла составляет примерно 8-9. Прочный, но одновременно легкий углепластик позволяет добиться результата повыше – в случае МС-21 он достигает уровня 11,5.
Улучшенная таким образом аэродинамика крыла – это увеличенная крейсерская скорость и высота полета, а также экономия в плане расхода топлива. По подсчетам за все годы эксплуатации среднемагистральный самолет с традиционным алюминиевым крылом тратит около 140 тыс. тонн топлива. Композитное крыло позволяет МС-21 расходовать примерно на 6% меньше. Таким образом, несложно подсчитать, что только за счет «черного крыла» новейший российский лайнер сможет сэкономить свыше 11 тыс. тонн горючего.
Технологии «АэроКомпозита»
Композитное крыло для МС-21 было разработано компанией «АэроКомпозит» в составе Корпорации «Иркут» (входит в ОАК Ростеха). Предприятие отвечает за полный цикл производства крыла – на Иркутский авиазавод поставляется уже готовая консоль. В создании композитного крыла участвуют два предприятия компании «АэроКомпозит». Основные панели и лонжероны выпускает «АэроКомпозит-Ульяновск». Этот ульяновский завод также осуществляет финальную сборку. Вся механизация крыла, часть внутреннего набора производится в Казани компанией «КАПО-Композит».
На предприятиях применяют два основных способа производства композитных элементов. Первый – традиционный, автоклавный. Вначале формируется препрег, так называемый «сэндвич», состоящий из слоев углепластика. Затем препрег размещают в автоклаве, где спустя несколько часов он превращается в авиационную деталь. По автоклавной технологии на казанском «КАПО-Композит» изготавливается механизация крыла и хвостового оперения.
Консоль крыла самолета МС-21-300, изготовленная из российских композиционных материалов. Фото: ОАК
Другой способ производства композитных авиадеталей – инфузионная технология. Данный метод позволяет гораздо быстрее изготовить сложные конструкции, например, панель крыла. При автоклавном способе крупная конструкция может быть собрана только из отдельных элементов и невозможно сделать интегральную деталь в отличие от инфузии. Ну, и явный бонус инфузионной технологии – вовсе не нужны автоклавы. На сегодняшний день «АэроКомпозит-Ульяновск» – единственный в России завод по изготовлению композитных авиационных деталей таким способом. Это ульяновское предприятие Объединенной авиастроительной корпорации Ростеха стало первым в мире, где данная технология применяется при производстве крупногабаритных конструкций панелей кессона крыла. Кроме того, в российской технологии используется автоматизированная выкладка углеродной ленты. Такая технология не используется при производстве композитных конструкций существующих сегодня иностранных аналогов.
Новое крыло для российской авиации
Первоначально поставщиками композитных материалов для крыла самолета МС-21 были зарубежные компании. Импортировались и препреги, и материалы для инфузии, специально изготовленные по техническим требованиям «АэроКомпозита». Так были произведены комплекты крыла для первых пяти опытных образцов МС-21.
В связи с санкциями и торговыми ограничениями с конца 2018 года поставки композитных материалов из-за границы были прекращены. Российским авиастроителям удалось быстро отреагировать на ситуацию – поставщики композитов были заменены на отечественные. Ускорить процесс импортозамещения помог некий технологический задел – работа в части композитов велась в стране с 2015 года. Материалы для силовых композитных конструкций крыла были созданы при участии ученых МГУ и «Росатома».
Сегодня при создании крыла МС-21 используются материалы исключительно российского производства, и для инфузионной технологии, и для автоклавной. Как рассказывают в «АэроКомпозите», по своим характеристикам они ничем не уступают зарубежным аналогам. Самолет МС-21-300 с полностью российским композитным крылом впервые поднялся в небо 25 декабря 2021 года.
Фото: Объединенная авиастроительная корпорация (ОАК)
В марте этого года история с импортозамещением композитов подошла к своему логическому завершению – корпорация «Иркут», ее филиал «АэроКомпозит» и ЦАГИ окончили статические испытания «черного крыла» самолета МС-21, изготовленного из российских материалов. Во время этих испытаний кессон в плановом порядке был доведен до разрушения. Согласно нормам авиабезопасности он должен выдержать так называемую расчетную нагрузку, которая в полтора раза больше максимально возможной нагрузки при эксплуатации. В ходе испытаний часть конструкции крыла также нагревалась, чтобы проверить устойчивость композитов к высоким температурам. Кессон МС-21 выдержал нагрузку, намного превышающую расчетную, доказав наглядно свою прочность и безопасность при любых условиях полета.