Заголовок, который заявляет о том, что Россия создала карбоновые крылья, превосходящие крылья Boeing 787, может вызвать противоречивые чувства у тех людей, которые разбираются в ситуации, однако это действительно так. Boeing 787 — новейший авиалайнер компании Boeing. Его главная особенность состоит в том, что фюзеляж, который раньше был из алюминиевого сплава, теперь изготавливается из карбона. Поскольку этот карбон разработала японская компания Toray, японская пресса активно обсуждала эту тему.

Благодаря применению карбона, который легче алюминия и практически не подвержен коррозии, удается снизить расход топлива и повысить комфортабельность салона. Все это не оставляет сомнений в том, что Boeing 787 — самый передовой авиалайнер в мире.

При этом российские самолеты, как правило, вызывают страх. Вряд ли можно говорить о том, что они действительно опасны, однако авиалайнеры, разработанные в советское время, отстают с технологической точки зрения. Кроме того, они отличаются большим расходом топлива и многочисленным экипажем для управления самолетом, поэтому они не столь привлекательны в сравнении с продукцией Boeing или Airbus.

После развала СССР Россия долгое время не вела новых разработок. Естественно, старые технологии откинули российскую авиапромышленность назад.

© РИА Новости, Валерий Мельников

Несмотря на это, России удалось разработать технологию, превосходящую Boeing 787. В особенности сложно поверить в то, что эта технология касается карбона — изюминки Boeing 787.

Когда технологи и специалисты Boeing и Airbus посетили авиационный завод «АэроКомпозит-Ульяновск» и своими глазами увидели производственную линию, они были крайне удивлены: «Мы не верили, что завод способен на такое, пока не увидели все сами».

Когда директор завода рассказал мне о своих технологиях, я тоже не удержался и сказал, что не верил в это.

Ситуация с разработкой авиалайнеров в России

Я хотел бы сказать несколько слов о разработке авиалайнеров в России. Производство пассажирских авиалайнеров начало быстро развиваться после Второй мировой войны. В СССР технологии развивались быстрыми темпами, поэтому реактивные авиалайнеры появились там на два года раньше, чем в США (в СССР в 1956 году, а в США — в 1958).

До 60-х годов СССР немного опережал США. Если сравнивать с Великобританией и Францией, то советская авиапромышленность намного превосходила эти страны.

Тем не менее, после того, как в конце 60-х появился Jumbo Jet, СССР начал отставать с точки зрения размеров, электроники и экономичности. При этом считается, что Россия отстает в сфере карбоновых технологий.

В конце советского периода СССР попытался наверстать упущенное. Он разработал такие самолеты, как Ту-204 и Ил-96, в которых применялись новые технологии (президент России летает на самолете того поколения).

Между тем, Союз развалился еще до окончания разработки. Само существование авиационной промышленности оказалось под вопросом, поэтому отставание от Запада только увеличилось. Можно сказать, что Россия проиграла холодную войну и в сфере разработки авиалайнеров.

Российская экономика быстро восстановилась после 2000 года: пришедший к власти Владимир Путин навел порядок, росли цены на нефть. Авиационная промышленность, выжившая за счет экспорта военных самолетов в развивающиеся страны в 90-е годы, начала заниматься гражданскими разработками.

© РИА Новости, Алексей Дружинин Российский самолет "Сухой Суперджет 100"

Началось массовое производство авиалайнера Сухой Суперджет-100 (SSJ100). По информации компании, в 2014 году было произведено 37 самолетов.

В SSJ100 широко использовались западные технологии, в результате чего получился современный самолет, резко контрастирующий с советскими авиалайнерами.

Несмотря на это, он не идет ни в какое сравнение с Boeing 787, который создавался в тот же период. Возможно, SSJ100 не отставал от уже летающих самолетов, однако его, вряд ли, можно сравнивать с авиалайнерами, которые находились на стадии разработки.

Контекст

Сухой Superjet 100 прибудет в Мексику в сентябре

Excelsior 29.08.2011

Пять самых опасных военных самолетов России

The National Interest 06.07.2015

«Сухой» передает долгожданный Sukhoi Superjet

Reuters 19.04.2011

Безопасность «Боинга 787» в приоритете

Nihon Keizai 17.01.2013

«Боинг» поставил рекорд по поставкам самолетов

Русская служба «Голоса Америки» 07.01.2014

Мультимедиа

Авиасалон в Ле-Бурже

ИноСМИ 17.06.2015
В настоящее время Россия разрабатывает второе поколение авиалайнеров: МС-21. По размеру он практически ни чем не отличается от Boeing 737 или Airbus А320, которые являются наиболее продаваемыми самолетами.

SSJ100 изготавливается из алюминиевого сплава, поэтому можно сказать, что это «обычный самолет». В свою очередь, у МС-21 карбоновые крылья и хвост. Мне кажется, этот самолет сможет конкурировать с новейшими образцами. Карбоновые крылья были изготовлены в конце прошлого месяца.

Если заменить алюминий на карбон, вес снижается примерно на 20%, однако не так-то просто изготовить надежную деталь. Кроме того, стоимость была слишком высокой. Сначала карбон стали применять при производстве военных самолетов, затем он появился в гражданской авиации, однако его применяли в частях, которые не представляют большой важности.

Например, если в карбон попадает даже небольшая пылинка, то он становится некачественным, поэтому при производстве самолетов крайне сложно обеспечить абсолютную надежность. В связи с этим сделать крылья из карбона технологически очень непросто.

Российские крылья, превосходящие 787

Что же представляют собой российские карбоновые крылья, которые смогли произвести впечатление на Boeing и Airbus? Главное преимущество МС-21 состоит в применении передовой, но при этом недорогой производственной технологии.

© РИА Новости, Григорий Сысоев Макет ближне-среднемагистрального самолета МС-21, представленный на Международном авиационно-космическом салоне "МАКС-2009" в Жуковском

В авиационной промышленности применение карбона развивается по двум направлениям. Первое состоит в том, какие детали изготавливать из карбона. Некоторые детали не могут привести к серьезным неприятностям, несмотря на поломку.

Поворотные лопатки (рули направления и закрылки) и обтекатели в определенном смысле не столь важны. Такие детали называют структурными элементами второго уровня. При этом очевидно, что если сломаются крылья или фюзеляж, трагедии не избежать. Такие части называют структурными элементами первого уровня.

Сначала карбон начали применять для изготовления элементов второго уровня. Затем — для таких элементов первого уровня, как хвост, крылья и фюзеляж.

Например, поворотные лопатки и обтекатели Boeing 767, который появился в 80-х годах, изготовлены из карбона. В свою очередь, у Boeing 777, эксплуатация которого началась в 90-е годы, карбоновый хвост.

Фюзеляж и крылья Boeing 787, совершившего первый рейс в 2011 году, полностью изготовлены из карбона. Что касается МС-21, то у него алюминиевый фюзеляж, но карбоновые элементы первого уровня, то есть хвост и крылья. Значит, такой важнейший элемент МС-21, как крылья, изготовлен из карбона.

Еще одно направление заключается в снижении себестоимости. Неспециалисты незнакомы с производственной технологией карбоновых самолетов. Для большинства людей термины, связанные с производственным процессом карбоновых крыльев, будут звучать как иностранный язык.

Я использую слово «карбон», которое означает пластик, армированный углеродным волокном. Углеродное волокно укрепляется при помощи пластика, который напоминает эпоксидную смолу.

Предел прочности углеродистой стали составляет 400МПа, в то время как углеродного волокна — 3000 — 6000 МПа, однако само по себе волокно тонкое, поэтому оно не может стать прочным промышленным материалом.

Благодаря укреплению пластиком оно становится таким крепким, что его можно использовать для самолетостроения.

Производственный процесс пластика, армированного углеродным волокном, можно разделить на процесс изготовления углеродного волокна и процесс его укрепления пластиком. Углеродное волокно производят такие компании, как Toray.

Авиапроизводители уже сами укрепляют пластиком углеродное волокно.

© Wikipedia / Alex Beltyukov Полноразмерный макет кабины МС-21 на авиасалоне МАКС-2011

Авиапроизводители стремятся снизить себестоимость этого процесса. В этом смысле технология производства МС-21 — самая передовая в мире.

Говоря простым языком, компании «АэроКомпозит-Ульяновск» удалось удешевить производственные процессы, связанные с автоклавом и пропиткой синтетической смолой для упрочнения.

Изначально авиапроизводители приобретали углеродное волокно, пропитанное пластиком (называется препрег), и изготавливали авиационные детали из нескольких слоев углеродного волокна. Затем детали укреплялись в автоклаве.

При этом пластик, применяемый в авиапромышленности, отличается от обычного пластика. Этот пластик представляет собой термореактивную смолу, которая укрепляется при помощи температуры.

Как и крылья, которые производит компания Mitsubishi Heavy Industries, важные детали Boeing 787 изготавливаются при помощи препрега и автоклава. Производители материала покрывают тонкий слой углеродного волокна жидким пластиком и укрепляют это волокно под давлением, благодаря чему они получили сравнительно простой и надежный производственный метод.

Тем не менее, препрег стоит очень дорого. При этом его срок хранения ограничен. Кроме того, если материал не используется, его необходимо замораживать. Если ошибиться с температурным режимом и сроком хранения, дорогостоящий материал приходится выбрасывать. Что касается автоклава, то оборудование и его эксплуатация также являются дорогостоящими.

Если отказаться от препрега и автоклава, можно существенно снизить себестоимость. В других отраслях, где надежность не настолько важна, уже распространилась технология, в которой не применяются препрег и автоклав.

Эта технология заключается в следующем: на углеродное волокно наносится жидкий слой пластика, затем волокно укрепляется в печи, у которой есть только функция нагрева. Этот метод называется трансферное формование пластмасс с помощью вакуума (VaRTM).

Авиапроизводители также проводили исследования в области применения метода VaRTM. В результате элементы второго уровня Boeing 787 изготовлены по этой технологии. Хвост японского MRJ также изготовлен методом VaRTM.

© РИА Новости, Елена Пахомова

Тем не менее, из-за большого размера крыльев при их производстве метод VaRTM не применялся. Российской компании первой в мире удалось изготовить надежные крылья методом VaRTM.

Этот метод сложно применять в авиационном мире, поскольку в сравнении с препрегом и автоклавом крайне сложно добиться высокой надежности.

Карбон состоит из нескольких слоев углеродного волокна, укрепленных пластиком, однако, если используется недостаточное количество пластика, слои углеродного волокна могут отклеиться. И наоборот, если пластика слишком много, снижается плотность углеродного волокна, в результате чего деталь перестает быть крепкой. То есть пластика должно быть строго определенное количество.

При использовании препрега нанести пластик ровным слоем на тонкий лист волокна не очень сложно, однако при использовании метода VaRTM пластик наносится после того, как из углеродного волокна формируется деталь самолета, поэтому необходимо наносить его ровным слоем на деталь сложной формы. Крылья самолета не только сложные, но и большие, поэтому задача усложняется.

Иногда при нанесении жидкого пластика вымываются углеродные волокна, в результате чего теряется форма детали. Кром того, при использовании метода VaRTM сложно обеспечить необходимую текучесть, а также функциональность детали самолета после ее затвердевания.

В других отраслях это не настолько критично, поэтому иногда пластик распределяется не равномерным слоем или же не обладает необходимыми прочностью или формой.

В случае самолетных деталей первого уровня это недопустимо. Boeing и Airbus отказались от использования метода VaRTM при изготовлении крыльев.

Строго говоря, этот метод использовался при производстве Bombardier CSeries, однако «АэроКомпозит-Ульяновск» стала первой в мире компанией, которая полностью исключила из производственного процесса препрег и автоклав.

© Wikipedia / Alex Beltyukov Полноразмерный макет салона МС-21 на авиасалоне МАКС-2011

Крылья МС-21 являются передовыми именно благодаря производственному процессу. Поэтому с точки зрения функциональности их нельзя назвать инновационными. Тем не менее, тот факт, что российской компании удалось снизить себестоимость карбона, который не получает широкого распространения в силу высокой цены, имеет огромное значение.

Каким образом Россия получила новейшую технологию?

На самом деле, в СССР также шли исследования в области производства карбоновых деталей для самолетов. В настоящее время украинская компания «Антонов» применяет карбоновые детали. В транспортном самолете АН-124, который хорошо известен в Японии, используются различные карбоновые элементы второго уровня.

Более того, карбоновые элементы первого уровня есть в транспортном самолете АН-70, который был разработан в конце советского периода и совершил первый полет в 1994 году. Карбоновые детали второго уровня планировалось установить и на Ту-204, который был разработан в конце советского периода.

(АН-70 до сих пор не введен в эксплуатацию по политическим и экономическим причинам. Если рассмотреть применение карбоновых материалов, то АН-70 отставал от Airbus, но не от Boeing. При этом АН-70 — скорее военный самолет. Углеродное волокно, применявшееся в нем, было не таким крепким, как западные образцы).

© РИА Новости Самолет АН-70 на 5-ом Международном авиационно-космическом салоне "Авиамир 21"

Таким образом, в СССР применялись карбоновые элементы, однако Союз распался до того, как карбон получил широкое применение, поэтому производство авиалайнеров с карбоновыми деталями не развивалось. Что касается «Антонова», то, несмотря на частичное применение карбоновых технологий, в целом компания отставала от мировых авиапроизводителей.

Также российский технологический уровень, связанный с углеродным волокном, был ниже западного. Предел прочности материала T800S компании Toray, который используется для производства деталей первого уровня для Boeing 787, составляет 5880МПа, в то время как российского — 3500МПа.

Это значение находится примерно на одном уровне с материалом Т300 компании Toray, который был разработан 40 лет назад. После развала СССР России было не до разработки технологий, поэтому считалось, что она отстает от Запада в сфере карбоновых технологий.

Каким же образом России удалось сделать карбоновые крылья, превосходящие Boeing 787? Во-первых, углеродное волокно импортируется. Не так-то просто выйти на мировой уровень производства углеродного волокна. В России углеродное волокно укрепляется пластиком.

Для производства углеродного волокна требуется дорогостоящее оборудование и огромный технологический опыт, поэтому сложно произвести передовое углеродное волокно. В основном этот материал производят три японские компании: Toray, TOHO TENAX и Mitsubishi Rayon, которые практически монополизировали этот рынок.

При этом укрепить углеродное волокно можно в домашних условиях. Компаний, которые занимаются этим, бесчисленное количество (используется не только углеродное волокно, но и стеклопластик).

Требования авиапроизводителей по качеству намного жестче, однако в этой сфере монополизации нет.

В последнее время стали применять автоматизированное оборудование, однако ноу-хау, касающееся такого оборудования, находится в руках производителей оборудования и системных интеграторов, которые продают свои решения любым авиапроизводителям.

Другими словами, если есть технологии для применения оборудования, капитал на это оборудование и решимость применить новейшие технологии, можно получить в свои руки технологию производства карбоновых деталей для самолетов, даже если нет технологического капитала, касающегося производства углеродного волокна.

На заводе «АэроКомпозит-Ульяновск» используют технологию австрийской компании FACC, благодаря чему удалось овладеть технологией изготовления карбонового крыла. Также на заводе есть роботы немецкой компании Kuka и автоматические погрузчики испанской MTorres. Большая часть оборудования — западного производства.

Как я отметил выше, исследования в области применения метода VaRTM в авиастроении велись в разных странах. Что касается проблемы неравномерного распределения жидкого пластика, то появились методы контроля потока, например, за счет создания канала потока.

Что касается проблемы потери формы, когда жидкий пластик вымывает углеродное волокно, то ее преодолевали за счет временной фиксации углеродного волокна при помощи термопластика.

Некоторые компании вели разработки пластика, который обладает низкой вязкостью, необходимой для метода VaRTM, и правильными физическими параметрами при затвердевании. Компания FACC получила ноу-хау изготовления авиационных деталей методом VaRTM.

Например, «АэроКомпозит-Ульяновск» наслаивала углеродное волокно, временно фиксируя его термопластиком. При этом в ходе этого процесса термопластик разогревался лазером, временно фиксируя слои углеродного волокна. Благодаря этому деталь не теряет свою форму во время укрепления термореактивного углеродного волокна смолистым веществом.

При этом термопластик обладает свойством укрепления термореактивного пластика. На месте можно посмотреть результаты испытаний применения метода VaRTM для изготовления авиационных деталей.

Компания FACC собрала воедино все эти технологии и подготовила полное решение, включая ноу-хау и оборудование, для изготовления авиационных элементов первого уровня методом VaRTM. В основном FACC производит для авиации карбоновые детали, однако она также торгует комплексными технологиями.

«АэроКомпозит-Ульяновск» приобрела технологический пакет, благодаря чему смогла пользоваться результатами многолетних исследований. В результате технологическое отставание, включая советский период, было сведено на нет за короткое время. Благодаря этому компания преуспела в производстве крыльев для МС-21 без использования препрега и автоклава.

«АэроКомпозит-Ульяновск» получила в свои руки только технологию укрепления углеродного волокна при помощи пластика. Дело в том, что не так-то просто приобрести технологию производства углеродного волокна для авиационных элементов первого уровня, прочность которых должна составлять 6000МПа. Подобный материал не производится в России.

Тем не менее следует уважать решение России производить крылья по новейшей технологии, которая не применялась в других странах, к тому же страна действительно преуспела в этом.

Завод «АэроКомпозит-Ульяновск» произвел огромное впечатление на зарубежных авиационных специалистов. Эта компания, производящая передовые карбоновые крылья с применением новейшего автоматизированного оборудования, способна улучшить сложившийся имидж России.

Значение карбоновых крыльев МС-21

Поражает способность компании овладеть передовой технологией за короткий период. Карбоновые крылья МС-21 продемонстрировали то, что российские технологии, казавшиеся безнадежно устаревшими, находятся в полном порядке. Производство карбоновых крыльев для авиалайнера способом, превосходящим технологии Boeing, — это действительно выдающееся достижение.

Тем не менее говорить о том, что Россия вышла на первое место по карбоновым технологиям, еще рано. Россия не разрабатывала эту технологию с нуля. Она применила иностранную технологию производства авиационных деталей методом укрепления углеродного волокна пластиком.

© РИА Новости, Евгений Пахомов

При этом само углеродное волокно импортируется (в ближайшее время Россия вряд ли сможет стать ведущим игроком в сфере производства углеродного волокна).

Это означает, что другие страны также могут применить подобную технологию для производства карбоновых крыльев. Япония производит хвост MRJ на основе собственных технологических разработок. При этом Япония — родина углеродного волокна.

Если японская компания решит изготавливать карбоновые крылья для MRJ следующего поколения таким же методом, я думаю, она преуспеет в этом (хотя это будет непросто). Безусловно, между «возможностью» и «реальностью» существует огромная разница.
Россия обладает большим экспериментальным опытом, однако в сравнении с опытом, которым обладают японские производители углеродного волокна, он небольшой.

За короткий период России удалось овладеть методом применения углеродного волокна для изготовления авиационных деталей. При этом она импортирует углеродное волокно, несмотря на то, что в советский период страна производила этот материал. О чем это говорит?

Существует два пути: накопление технологий в течение длительного периода и овладение технологиями. В 90-х годах японская промышленность, до этого лидировавшая в различных областях, начала терять свою конкурентоспособность: ее обошли такие быстроразвивающиеся страны, как Южная Корея. Западные компании также вернули свои позиции. Типичный пример — производство полупроводников.

Что касается полупроводников, то, как и в случае с методом укрепления углеродного волокна пластиком, технологией их производства можно овладеть сравнительно за короткий период за счет применения соответствующего оборудования.

При этом есть сферы, в которых Япония до сих пор находится на первых ролях. Углеродное волокно — одна из таких сфер. Япония лидирует в сфере производства высоколегированной стали и другого сырья. Подобную продукцию невозможно производить только за счет внедрения оборудования. Необходим опыт.

Россия овладела технологией укрепления углеродного волокна, однако сам материал ей приходится импортировать. Можно сказать, что так проявилась разница в двух технологиях.

При осуществлении стратегического планирования в промышленной сфере важную роль играют оба вида технологий. В России, чья промышленность находится в застое, может помочь быстро вернуть свои позиции и стать эффективной стратегия, при которой компании сосредоточатся на сферах, обеспечивающих быстрое развитие за счет применения новейших технологий. Крылья МС-21 стали примером подобного успеха.

Если же государству, например, Японии, необходимо сохранить свои позиции в качестве высокоразвитой промышленной страны, ему нельзя просто приобретать комплексные решения. Важно сохранить свое лидерство за счет бережного отношения к накопленному опыту.

Россия преуспела в разработке карбоновых крыльев для МС-21. По всей видимости, это не единственное явление в российской промышленности, которое свидетельствует о развитии индустрии и технологий.

Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.

Реализуемый корпорацией «Иркут» (входит в Объединенную авиастроительную корпорацию) проект создания российского среднемагистрального самолета МС-21 преодолел ключевой этап - статические испытания крыла. При приближении к 100% расчетной предельной нагрузки произошло разрушение крыла. В настоящее время завершается небольшая доработка конструкции крыла, которая не повлияет на график подготовки самолета к летным испытаниям, намеченным на эту весну.​​​​​​​

Как сообщили «Известиям» в «Иркуте», в рамках реализации программы МС-21 был проведен завершающий этап изолированных испытаний кессона крыла из полимерных композиционных материалов. Испытания прошли в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) в подмосковном Жуковском.

Продемонстрированный в ходе испытаний запас прочности крыла позволяет приступить к летным испытаниям самолета, - заявил «Известиям» официальный представитель «Иркута».

По его словам, до начала испытаний на прочность на самые нагруженные зоны конструкции были еще специально нанесены максимально возможные и визуально не обнаруживаемые повреждения. В соответствии с утвержденной программой испытаний кессон крыла был доведен до разрушения.

Подвергнутое статической нагрузке крыло МС-21 обладало наиболее возможной весовой эффективностью, то есть было максимально облегченным. По результатам проведенных испытаний было принято решение провести незначительную доработку крыла, рассказали в «Иркуте».

Общее утяжеление конструкции крыла составит примерно 25 кг. На сегодня такая работа для первого полета уже близка к завершению, - добавил представитель «Иркута».

Статические испытания определяют способность конструкции самолета выдерживать высокие однократные нагрузки. Это - неотъемлемая и важная часть комплексного плана испытаний, осуществляемых в обеспечение первого вылета МС-21 и его последующей сертификации. В ЦАГИ не смогли оперативно прокомментировать «Известиям» информацию о результатах испытаний МС-21, сославшись на режимный характер предприятия.

В «Иркуте» также отказались раскрывать подробности испытаний. По словам источника «Известий», знакомого с программой данных испытаний, кессон крыла получил повреждения при нагрузке выше 90% - «близкой к 100%» от расчетной предельной нагрузки, которая была установлена на уровне, в полтора раза превышающем максимальную эксплуатационную нагрузку.

«В ходе испытаний на разрушение был получен результат, которым в «Иркуте» остались удовлетворены. Сейчас еще продолжается полный анализ этих испытаний, - рассказал источник «Известий».

По словам других источников «Известий», разрушения крыла проявились в виде трещин. Если бы крыло не прошло успешно тест на прочность, то это грозило бы проекту как минимум значительными задержками сроков его реализации. Как максимум пришлось бы пересчитывать, перепроектировать крыло, менять все массовые и центровочные характеристики самолета, что дальше потянуло бы за собой другие изменения.

По словам представителя «Иркута», в настоящее время идет тестирование систем лайнера и его подготовка к первому полету. Однако говорить о каких-то даже примерных сроках первого полета в авиастроительной корпорации пока считают преждевременным.

По словам источника «Известий», близкого к ОАК, после завершения тестирования всех систем самолета будет выполнена выкатка МС-21 из цеха, проведена заливка керосина, осуществлен прогон двигателей и, наконец, выполнены операции руления. Только после этих операций станет понятна дата первого испытательного полета. Пока все работы идут по плану с первым полетом до конца весны.

Самолет МС-21 сертифицируется по российским и международным стандартам. Сертификация самолета проходит в соответствии с комплексом требований к летной годности и охране окружающей среды.

МС-21 - пассажирский самолет российского производства, который будет производиться в трех версиях: МС-21-200 (150 посадочных мест), МС-21-300 (180 мест) и МС-21-400 (212 мест). Входящий в состав ОАК «Иркут» начал разрабатывать МС-21 в начале 2000-х годов. Интерес к самолету проявляют как российские, так и зарубежные авиакомпании. Первые поставки самолетов запланированы на конец 2018 года.

10 марта 2015 года ЗАО «АэроКомпозит» объявило о создании на базе Опытной лаборатории технологий и конструкций из ПКМ новой испытательной лаборатории для проведения комплекса работ по прочностным и климатическим испытаниям конструктивно-подобных образцов из полимерных композиционных материалов. Кроме этой московской площадки, где с 2011 года проводились исследования композиционных материалов, и отрабатывалась технология изготовления изделий, в 2013-14 годах «Объединённая авиастроительная корпорация» открыла два новых производства: «КАПО-Композит» в столице Татарстана Казани (специализация завода - производство агрегатов механизации крыла и оперения, а также элементов носовой и хвостовой части крыла воздушного судна, изготовленных по автоклавной технологии) и «АэроКомпозит-Ульяновск» - завод по выпуску элементов конструкции воздушных судов из композиционных материалов на основе инфузионной технологии.

«С запуском новой лаборатории мы можем самостоятельно осуществлять испытания изготавливаемой нами продукции на ее различных этапах производства. Это большой плюс, так как появилась независимость от сторонних организаций. Для решения новых задач, стоящих перед компанией, использования на производстве новых материалов отечественного производства, мы планируем существенное дооснащение испытательной лаборатории в течение года», - отметил генеральный директор ЗАО «АэроКомпозит» Анатолий Гайданский.

Генеральный директор ЗАО «АэроКомпозит» Анатолий Гайданский

«Создание лаборатории на первом этапе было обусловлено необходимостью исследования полимерных композиционных материалов и отработкой технологии изготовления, на основе этих материалов, образцов, опытных образцов, а также составление технологической документации и применение полученных результатов на производственных площадках - завод в Казани и завод в Ульяновске. Мы создали лабораторию, которая помогает в запуске проекта “МС-21” и проверке заложенных конструктивных и технологических параметров. Все оборудование, которое было приобретено, изначально предполагало возможность смоделировать все эти технологии, отработать основные направления в работе и изготовить опытные образцы по технологиям», рассказывает начальник Опытной лаборатории технологий и конструкций из ПКМ ЗАО “АэроКомпозит” Алексей Слободинский.

На данном же этапе несколько изменилась и ориентация лаборатории в Москве. Во главу угла встали направления испытательного характера - входной контроль материалов с проведением механических испытаний, испытаний по химии, работа с образцами-спутниками, которые требуются для подтверждения качества самих агрегатов. Поэтому была проведена соответствующая работа по подготовке лаборатории. Прежде всего, по аккредитации этой лаборатории и возможности выполнения всех этих работ в интересах заводов. Такая аккредитация была проведена и в декабре 2014г. испытательная лаборатория получила аттестат аккредитации Авиарегистр МАК, который позволяет выполнять все эти работы.

Начальник опытной лаборатории технологий и конструкций из полимерных композиционных материалов ЗАО “АэроКомпозит”, генеральный директор ЗАО «КАПО-Композит» Алексей Слободинский

Итак, в качестве основного направления была выбрана инфузионная технология. Как я уже упомянул, для России эта технология новая и неизведанная. И, несмотря на то, что в мире она существовала и ранее, ещё никто не использовал её в промышленных масштабах, а тем более для изготовления крупных авиационных конструкций. Эта технология подразумевает использование сухих материалов, как правило, «угольных» и отдельно связующего вещества (смолы). Технология предполагает 2 этапа. На первом этапе изготавливается, так называемая, “преформа” - сухие материалы укладываются на оснастку, формируется герметичный «мешок», из которого откачивается воздух, после чего происходит формование в термопечи. По специально разработанному в лаборатории графику, с определенной скоростью и по определенным параметрам происходит нагрев, выдержка и охлаждение. А на втором этапе собирается уже «боевой мешок» с этой прессованной и сформированной деталью и производится её пропитка смолой за счет вакуума - изделие помещается в специальную печь и «запекается» при температуре. При этом из вакуумного мешка откачивается воздух и одновременно, за счет разряжения происходит равномерное пропитывание смолой.

Это и есть, так называемая, “инфузионная технология”, которую здесь отрабатывают на различных элементах, начиная от самых тоненьких панелей в 3-4-5 слоев и до полномасштабных изделий. «Мы пытались понять, какую толщину панели можем сделать, чтобы она отвечала всем прочностным требованиям. В итоге мы получили панели со стабильными характеристиками от 2 до 25 мм, которые, по расчетным данным, соответствуют всем нормативам», говорит Алексей Слободинский. Помимо изготовления самих панелей и образцов, как таковых, здесь отрабатывают все элементы, которые входят в производственный цикл. Начиная от входного контроля материалов, раскроя материалов с использованием лазерной техники, выкладки преформы, сборки «боевого мешка» и проведение самого цикла инфузии, с использованием термо-инфузионного комплекса.

Материалы на основе углеволокна приходят в рулонах, которые мало чем отличаются от обычной ткани. Здесь установлены лазерные проекторы, которые подсвечивают контуры модели и профессиональные закройщицы раскраивают материал по лазерным лекалам. Далее вручную производится выкладка преформы.

Многие вопросы изначально были очень сложны, так как не было ни практики, ни учебников, и все приходилось делать «с листа». Иностранцы тоже не спешили делиться своими секретами. Например, долго не могли сделать выкладку ткани, чтобы слои материала не рассыпались в разные стороны. В технологии с препрегом, когда волокна материала уже пропитаны связующим веществом, таких проблем нет. В данном же случае материал сухой. «Оказалось, что есть технология глажения утюгом, - рассказывает Слободинский, - мы это увидели на фотографиях, иллюстрирующих публикации в западной прессе по данной теме. Постепенно вышли на нужную технологию выкладки материала, используя утюги с регулируемой температурой нагрева.

Казалось бы, зачем такие сложности, когда есть уже проверенная и подтвержденная технология. Но есть один немаловажный нюанс, влияющий на качество изделия - срок годности материала. Дело в том, что препрег, использующийся при автоклавной технологии, имеет ограниченный срок годности от 9 до 12 месяцев, а сухие материалы имеют значительно больший период хранения. К тому же, сухие материалы хранятся при комнатной температуре, в отличие от препрега, который необходимо хранить в морозильной камере при температуре не ниже минус 18 градусов. И каждый вынос этого материала, размораживание, которое происходит в течение суток, уменьшает срок его годности. Его привозят в морозильных рефрижераторах, сразу ставят в морозильные камеры, соответственно идет учет “времени жизни” этого материала. Это достаточно непростая задача, которая требует жесткого контроля, вплоть до поминутного учета времени до окончания срока использования данного материала. Все это значительно усложняет использование данных материалов и повышает риски получения некондиционного изделия. С инфузионной же технологией ничего этого не требуется. Материалы хранятся без всяких температурных требований просто на складе. А связующее вещество хранится отдельно в морозильной камере в течение 12-14 месяцев.

К тому же, на серийном производстве в «АэроКомпозит-Ульяновск» никакого глажения утюгами нет. Там выкладкой преформы занимается специальный робот, который по определенному алгоритму выкладывает будущие панели крыла из тонких лент, одновременно «припаивая» их к предыдущему слою (см. фото). В результате получается цельное изделие без единого шва и заклепки. Лабораторные испытания и исследования послужили подтверждением правильности выбора инфузионной технологии. В Европе до сих пор не пришли к такому решению, чтобы консоль крыла делать композиционной по этой технологии. В данном случае Ульяновск - первый завод в мире, где применяется инфузионная технология для изготовления силовых конструкций крыла самолета.

Преимущества этой технологии показали и испытания. В итоге, как минимум не проиграли в прочностных характеристиках, а если говорить об экономических и технических показателях, то инфузионная технология дешевле, в том числе и с точки зрения энергоемкости. Автоклав - устройство достаточно сложное, которое требует дополнительного обеспечения безопасности, поскольку там используются высокое давление и высокая температура.

Выкладка нижней панели будущего крыла самолета МС-21 на заводе «АэроКомпозит-Ульяновск»

В отличие от небольшого термокомплекса на московской площадке, в Ульяновске установлена уникальная 22-х метровая печь, в которую целиком входит панель или лонжерон крыла, с допустимым температурным градиентом по всей длине печи не более 2-х градусов. Совместно с ними «поджариваются» и изделия-спутники - специальная небольшая модель, которая проходит все этапы изготовления параллельно с основным изделием. Спутник предназначен для того, чтобы провести все испытания по контролю качества на этом образце, не повреждая основное изделие. Так как Спутник изготавливается вкупе с самой деталью, в аналогичных условиях и при аналогичных параметрах, он является аналогом этой детали. Затем из панелей-спутников вырезаются образцы и проводится целый курс испытаний. Испытания на разрыв, испытания на сжатие, испытания на сдвиг.

Анатолий Гайданский в термопечи после завершения процесса инфузии панели-спутника на заводе «АэроКомпозит-Ульяновск»

Но почему же испытательная лаборатория была создана не в Ульяновске, ближе к производству, а в Москве? Дело в том, что лабораторию создавали поближе к тем, кто занимается разработкой, чтобы конструкторы и технологи могли получить ответы на свои вопросы в кратчайшие сроки, которые их интересуют. Так оно и происходит! Прочнисты, например, находятся в постоянном взаимодействии со специалистами испытательной лаборатории - они закладывают данные и хотят получить результат. То есть, уже через сутки можно получить результат. Это значительно ускорило темпы разработки и освоения технологии. «Даже иностранцы, с которыми мы совместно работали, прежде всего, поставщики материалов, были поражены нашим темпом движения», - рассказывает Слободинский.

В лаборатории работают 23 человека. Большинство (20 чел) - это люди с высшим образованием, закончившие МАИ, МАТИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана. Это основные наши специалисты. Мало того, требования, которые предъявляет АРМАК по аккредитации лаборатории, подразумевают специальную квалификацию специалистов. Все сотрудники прошли курс подготовки и получили сертификаты на право проведения тех или иных испытаний. Проверка АРМАК показала высокий уровень знаний, умений, практических навыков.

Оборудование испытательной лаборатории состоит из различных испытательных стендов и дополнительного сопроводительного оборудования: 1.Испытательные стенды (нагрузка 25 и 60 тонн). На них проводятся испытания по разным стандартам - на сдвиг, растяжение, разрыв и др. 2.Копёр - машина для испытания на удар. 3.Климатическая камера - используется для создания длительного воздействия окружающей среды (температура, влажность) на образцы перед испытанием. 4.Испытательный стенд (нагрузка 25 тонн) имеет возможность создавать условия климатического воздействия (температура, влажность) во время испытания. 5.Приборы для проведения ультразвукового контроля с различными диапазонами измерения. Инвестиции в проект составили около 30 млн. рублей. Оборудование стоит самое современное, которое используется и в Европе.

"Все стандарты, которые мы выдерживаем, как европейского плана, например, по проекту Sukhoi SuperJet 100, так и требования российских стандартов, заложенных в проекте МС-21, выполняются. Методики отработаны, работа с оборудованием отработана и идет полномасштабная испытательная работа лаборатории", - говорит Алексей Слободинский.

Лаборатория также занимается и вопросами разработки методик ремонта агрегатов из композиционных материалов, в том числе и в полевых условиях. Для выполнения ремонта в полевых условиях имеется универсальный мобильный комплекс, который не требует больших энергетических затрат. Это одновременно и устройство ультразвукового неразрушающего контроля, и мобильная печь для локального ремонта, в том числе и без демонтажа агрегата. В будущем, а такие работы уже ведутся, в крыло самолета будут вмонтированы оптоволоконные датчики, которые в режиме реального времени будут фиксировать все нештатные ситуации и контролировать состояние конструкции.

Универсальный мобильный комплекс для диагностики и проведения полевого ремонта композиционных материалов

Одно из направлений исследований - обработка изделий на 5-ти координатных фрезерных центрах, чтобы понять возможные режимы резания, подобрать оптимальный инструмент для резания, поскольку это не привычный металл, а композит, требующий особых условий обработки. От правильно подобранного режима будет зависеть и качество полученного изделия.

После отработки все эти технологии передаются на заводы в Казань и Ульяновск. Прежде всего, в Ульяновск, поскольку инфузионные технологии там используются для сборки консоли крыла и центроплана МС-21. В Казани также, наряду с использованием традиционной автоклавной технологии для изготовления агрегатов и панелей, используют и инфузионную технологию для изготовления своих композиционных оснасток. Только оно происходит, в отличие от деталей, производимых в Ульяновске, при комнатной температуре, а не в печи. Хотя температура тоже несколько повышена. На «КАПО-Композит» работы идут в двух направлениях: МС-21 и Sukhoi SuperJet 100. Для МС-21 Казань готовит всю механизацию: носовая, хвостовая часть крыла, лобовики носовые, малые агрегаты, элероны, закрылки, законцовки крыла, рули высоты и рули направления.

Задний лонжерон, изготовленный на заводе «АэроКомпозит-Ульяновск», который будет установлен на первый экземпляр самолета МС-21

«МС-21 это первый самолет в нашей гражданской авиации с широким использованием композиционных материалов. Применение этих материалов создает значительные преимущества по сравнению с алюминием в первую очередь в области аэродинамики. Применение композитного крыла дает значительный эффект в улучшении топливной эффективности за счет более совершенной геометрии крыла и уменьшения аэродинамического сопротивления. Ну и улучшение весовых характеристик. Сборка крыла и центроплана уже начата. В течение лета этого года мы их сдадим на «Иркут» для сборки первого самолета, который планируется выкатить в конце 2015 года (в августе планируется специальная программа и презентация стыковки крыла в рамках авиасалона МАКС-2015). Все наши заводы построены с нуля. Это совершенно уникальные технологии, которые разработаны нашей компанией», - говорит генеральный директор ЗАО «АэроКомпозит» Анатолий Гайданский.

Сборка центроплана первого самолета МС-21 на «АэроКомпозит-Ульяновск» (верхняя и нижняя панели изготовлены из композиционных материалов

Крыло самолета МС-21 состоит из 9 тысяч деталей. В настоящее время в Ульяновске устанавливается уникальная линия по сборке крыла, которое будет выходить с завода с полностью установленной механизацией и всей необходимой «начинкой». Вообще говоря, работников «АэроКомпозит-Ульяновск» для такого большого завода совсем не много. Секрет в том, что это царство робототехники. На большинстве постов работники являются операторами и контролерами. Несомненно, без ручного труда не обойтись, но это, в основном, работы по установке, снятию или транспортировке изделий, да и то чаще всего с помощью специальных приспособлений. Основные же, самые ответственные операции, выполняют роботы.

Стенд линии сборки, на котором будет производиться окончательная стыковка панелей крыла самолета МС-21

Ничего подобного в нашем авиапроме до сих пор не было. Скажу честно, ничего подобного я не видел и на Боинге с Эйрбасом. Да и находясь на заводе, где все сотрудники в белых халатах и бахилах, специальные требования к качеству воздуха и в напольном покрытии видишь свое отражение, не верится, что все это в России. Впервые в новейшей истории мы не пытаемся тиражировать старые отработанные технологии, и не пытаемся слепо скопировать зарубежный опыт, а выступаем новаторами и хотим оказаться в технологическом авангарде мирового гражданского авиастроения.

История гражданской авиации мира знает примеры самолетов, конструктивные детали которых изготовлены из композитов. В этот немногочисленный перечень входят в основном широкофюзеляжные дальнемагистральные лайнеры, а вот для узкофюзеляжных самолетов композиты использовались ограниченно.

Причина была одна – производство полимерных композитов было дорогостоящим, поэтому говорить об экономическом эффекте и выгоде можно было только в случае с большими самолетами. Но то было в 90-х годах прошлого столетия, и на рубеже веков, а сегодня уже другое время.

И конструкторы корпорации «Иркут», а также ОКБ им. Яковлева на деле доказали, что применение композитов в производстве МС-21 не только дает экономическую выгоду, но еще и существенно улучшает технические параметры лайнера. Эксперты отмечают, что был проведен комплексный анализ, просчитан возможный эффект по ряду параметров, выполнено математическое моделирование, тестирование элементов. Только после серьезной работы, где изучался весь спектр технологий, и получения всех экономических расчетов было принято решение о возможности использования углепластика для производства крыла лайнера. При этом выбор был сделан в пользу метода вакуумной инфузии, который более экономичен, чем автоклавный.

Частотные испытания МС-21-300-0001

Но в то же время конструкторы поясняют, что не только стоимость была взята за основу, но еще и тот факт, что благодаря новым технологиям появилась возможность создавать более совершенные, а значит, и более надежные конструкции. Данные технологии разработаны специалистами ульяновского завода «Аэрокомпозит» в тесном сотрудничестве с зарубежными коллегами. И хотя метод вакуумной инфузии известен давно, только российские инженеры и конструкторы смогли использовать его в производстве отдельных конструкций для лайнеров.

Удлинение

Одним из важнейших преимуществ, которое дает использование композитов, является возможность изготовления крыла, имеющего низкое лобовое сопротивление. Достигается это за счет удлинения конструкции, а также более тонкого профиля.

Нужно сказать, что в любом авиационном бюро конструкторы стремятся увеличить удлинение крыла. Но есть определенные пределы, так как длинное алюминиевое крыло требует и более толстого профиля. А это значит, что эффекта от удлинения не получается, поэтому и существуют предельные коэффициенты.

Композитный материал более жесткий, чем алюминий, поэтому можно удлинить крыло, при этом не увеличивать его толщину. Стандартный коэффициент удлинения крыла из алюминия – 8-9 (это лайнеры прошлых поколений). Чуть больше у современных самолетов - 10-10,5. Коэффициент удлинения у МС-21 равен 11,5.

Что это дает? Цифры говорят сами за себя: увеличение аэродинамического качества примерно на 6%, снижение топлива на 7-8%. В среднем за годы эксплуатации самолеты типа МС-21 сжигают более 140 тысяч тонн топлива. Использование крыла из углепластика позволит сэкономить около 11 тысяч тонн горючего.

В этом отношении МС-21 превосходит все зарубежные аналоги и получает очень весомое конкурентное преимущество.

Легкость

Производство элемента крыла на предприятии "АэроКомпозит-Ульяновск"

Композитные материалы по многим техническим характеристикам превосходят алюминий. Углепластик, из которого изготавливают крыло для МС-21, отличается прочностью, жесткостью, жаропрочностью, долговечностью. Он устойчив к хрупкому разрушению и сохраняет все свои свойства при резких сменах температурных режимов.

Одним из важных параметров является легкость материала, и именно этот показатель был взят конструкторами за основу. Согласно теоретическим выкладкам, использование композита должно было привести к уменьшению общей массы лайнера примерно на 15%.

При изготовлении таких «монстров» авиации как Airbus 350XWB и Boeing 787 такого эффекта не произошло, вес остался прежний. А все дело в том, что в те годы специалисты не обладали всем багажом точных знаний о свойствах композитов. Поэтому при изготовлении элементов для лайнеров использовался более большой запас прочности. Так, запас прочности для конструкций из алюминия не превышал коэффициент в 1,5, а вот для элементов из углепластика все было иначе. Для подстраховки и обеспечения надежности, безопасности брали запас с коэффициентом 5 или даже 7.

Но благодаря кропотливой работе ученых были более глубоко и точно исследованы все свойства композитных материалов. Выяснилось, что запас прочности можно снижать, а за счет этого будет уменьшаться и масса всей конструкции лайнера.

Сегодня общий объем композитных материалов, которые используются при изготовлении МС-21, является самым большим среди всех лайнеров подобного класса. Эксперты отмечают, что доля композитов составляет примерно от 30% до 40%.

Экономический эффект

Нельзя не рассматривать и такой показатель как удешевление производства.

Длительное время использование композитов при производстве самолетов было ограничено из-за высокой стоимости материалов. Для сравнения: килограмм алюминия, используемого в авиастроении, стоит около трех долларов, а килограмм композита – 400 долларов. Именно из такого углепластика были выпущены фюзеляж и крылья Боинга-787.

Снизить стоимость позволили новые технологии производства композитных материалов, применение автоматизации на производстве. При этом надо не забывать, что сборочные операции такого масштаба автоматизировать очень непросто, а потому российские конструкторы нашли другой вариант. Ими предлагается сборка из готовых интегральных конструкций, а не из отдельных деталей.

Именно такие конструкции приходят с завода «Аэрокомпозит» в цеха корпорации «Иркут». Специалистам уже не приходится собирать мелкие детали, а значит, уменьшается весь производственный цикл.

Существенно удешевить стоимость позволил и отказ от технологии автоклавов, когда композиты получались путем формования из полуфабрикатов – препрегов. Данный способ использовался во всем мире, и у него есть ряд серьезных недостатков: длительность процессов, высокая стоимость получаемых материалов, дорогое технологическое оборудование. Также «минусом» являлся и небольшой срок хранения препрегов.

Благодаря новой технологии «прямых» процессов, а именно – вакуумной инфузии, удалось снизить время производственного цикла, уменьшить трудовые и энергозатраты. Но очень важно отработать технологию, чтобы наладить выпуск деталей, имеющих стабильные технические характеристики.

Сегодня можно сказать, что специалистам завода «Аэрокомпозит» это удалось. Их американские коллеги еще в 2006 году занимались данным вопросом, но не нашли решения. А вот инженеры «Аэрокомпозита» почти четыре года искали и выбирали по всему миру материалы, оборудование, а также разрабатывали технологии для автоматической выкладки сухого углеродного наполнителя.

Были проведены тесты, выбраны волокна, переплетения, просчитаны все зазоры между лентами композитной ткани.

Такой метод позволяет за один цикл создать интегральную деталь лайнера, тем самым снижая трудоемкость процессов почти на 8%.

Технологический процесс продуман до малейших деталей, все производства расположены в «чистых» цехах, по своей стерильности схожих с медицинскими операционными. В итоге на заводе организован полный технологический цикл, который начинается с выкладки вспомогательных материалов и подготовки оснастки и заканчивается покраской и сборкой консоли.

Как видим, проект МС-21 – это образец комплексной модернизации в самолетостроении, который позволяет обеспечить и российским лайнерам превосходные конкурентные характеристики.