1. Карбонови креле на съвременния авиолайнер

Приложение на карбона в авиационната промишленост

Замяната на алуминия с карбон в самолетостроенето позволява да се снижи масата с около 20%, но не е просто да се изработи надежден детайл от карбон, а още повече карбонови криле. Карбонът е пластмаса, армирована в въглеродни влакна. Укрепването на въглеродните влакна се осъществява с помощта на материал, подобен на епоксидната смола. Представа за здравината на карбона можем да получим от следното следното сравнение. Пределната здравина на въглеродната стомана е 400MPa, докато тази на въглеродното влакно варира от 3000 до 6000 MPa. Проблемът при въглеродното влакно, е че то е тънко, поради което не може самостоятелно да се използва като здрав промишлен материал. Благодарение на укрепването му с пластмаса то става толкова здраво, че може да се използва в самолетостроенето.

Първоначално карбонът се използва във военните самолети, а чак след това в гражданската авиация и то в части, които не представляват особена важност.  Причината е сложното производство. Ако в карбона попадне и най-малката прашинка, то той става некачествен. Това е причината в производството на самолети да е крайно трудно да се постигне абсолютна надеждност. От тази гледна точка да се направят карбонови криле технологически е изключително трудно.

Елементи първо и второ ниво

В авиационната промишленост карбона се използва в две направления. Първото се състои в това какви детайли се изготвят от него. Така например някои детайли не могат да доведат до сериозни проблеми, въпреки тяхното счупване. такива са руля за управление, закрилките и обтекателите. тези детайли се наричат структурни елементи от второ ниво. В същото време е ясно, че ако се счупят крилете и фюзелажа катастрофата е неизбежна. тези части представляват структурни елементи от първо ниво. Първоначално карбонът се е използвал за изработка на елементи от второ ниво, а чек след това на елементи от първо ниво като опашка, криле и фюзелаж.

2. Производствен процес и технология

Производствен процес

Производствения процес на армираните въглеродни влакна може да се раздели на процес на изготвяне на въглеродните влакна и процес на тяхното укрепване. Авиопроизводителите сами укрепват пластмасовите въглеродни влакна. Себестойността на този процес е висока, затова те се стремят да понижат себестойността на този процес. В този смисъл технологията на производство на МС-21 е най-напредналата в света. Компанията “АэроКомпозит-Ульяновск“ успява да понижи стойността на производствените процеси на пресоване и пропиване на синтеическата смола за заздравяване на детайлите.

Производствена технология

Първоначално авиопоризводителите използват въглеродни влакна пропити със смола, като изготвят авио детайлите от няколко слоя въглеродни влакна. След това укрепват влакната в преса. Смолата, използвана от тях се различава от обикновената. Тя е термореактивна и се заздравява с температура. По тази технология се изготвят крилата за Boeing 787 от компанията Mitsubishi Heavy Industries. Тя покрива тънъкия слой въглеродни влакна с течна смола и укрепва влакната по високо налягане. Метода е прост, но с висока себестойност и ограничен срок на съхранение на материала. При грешка в температурата материала става неизползваем. Пресата и допълнителното оборудване също са скъпи.

Отказът от пропиване и пресоване под налягане силно снижава себестойността. Тази технология се свежда до: върху въглеродните влакна се нанася слой смола, след което те се заздравяват в пещ в вакум. Този метод се нарича трансферно формироване на пластмаса с вакум (VaRTM), но чрез него е много трудно да се получи висока надеждност на детайлите.

Карбонът се състои от няколко слоя въглеродни влакна, заздравени със смола, но ако ако смолата е малко въглеродните влакна могат да се разлепят и обратно. Ако смолата е много се понижава плътността на въглеродните влакна и детайла не е достатъчно здрав. С други думи смолата трябва да бъде в точно определено количество. При метода VaRTM смолата се нанася на равни слоеве след като от въглеродните влакна е формиран детайла. Карбоновите криле имат сложна форма и са големи, което силно усложнява изработката им.

3. Съвременните самолети и карбона

Boeing 787 Dreamliner

Boeing 787 Dreamliner е най-новият авиолайнер на компанията Бойнг. Неговата главна особеност е в това, че фюзелажът му, който преди това е бил изработен от алуминиева сплав, сега е изготвен от карбон. Карбонът е по-лек от алуминия и практически не се поддава на корозия. Благодарение на употребата му значително е снижен разходът на гориво и е повишен комфорта в салона. Това не оставя съмнение, че Боинг 787 е най-съвременният авиолайнер в света. Но всичко това не е постигнато изведнъж, а представлява дълаг процес. Например лопатки за управление и обтекатели от карбон са се използвали първо в Boeing 767, който се появява през 80-те години на 20 век. Чак след това в Boeing 777, който се появява през 90-те години на 20 век има кабонова опашка. За да стигнем до днес – Boeing 787 Dreamliner.

Boeing и МС-21

Днес Русия разработва второ поколение авиолайнери в лицето на МС-21. По размер той не се отличава от Boeing 737 или Airbus А320, които са най-съвременните самолети. Фюзелажът и крилете на Boeing 787, който излита за първи път през 2011 година, са изготвени изцяло от карбон. Що се касае за МС-21, то той има алуминиев фюзелаж, карбонови криле и опашка, което го поставя близо до основните му конкуренти.

4. Иновацията в руските карбонови криле

Ниска себестойност

Въпреки предимствата на конкурентите руските авиостроители успяват да разработят технология, превъзхождаща тази на Boeing 787. Още по-трудно е да се повярва, че тази технология засяга карбона. Когато специалистите на Boeing и Airbus посещават “АэроКомпозит-Ульяновск“ те не могат да повярват. Поради големите размери на крилата на Boeing и Airbus при тяхното производство не се използва метода VaRTM. Руската компания обаче първа в света успява да създаде надеждни карбонови криле по метода VaRTM. Карбоновите криле МС-21 са най-съвременните от гледна точка на производствения процес. Макар, че откъмфункционалнос те не са иновационни, самия факт, че високата себестойност на карбона за тяхното производство е снижена има огромно значение.

Като цяло огромно постижение е овладяването за кратък период на технология за изготвянето на карбонови криле. Русия не разработва тази технология от нулата. Тя използва чужда технология за производството на детайли от карбон по метода за заздравяване на въглеродните влакна, като самите влакна се внасят. Руското технологично ниво на въглеродните влакна е по ниско от японското или. Пример за това е пределната здравина на материала T800S на японската компания Toray. Здравината на T800S, който се използва за производството на детайли за Boeing 787, е 5880MPa, докато руския материал има здравина от 3500MPa. Тази стойност е на равнището на материала на Т300 на Toray, който е разработен преди 40 години.

Усвояване на технологията за производство на карбонови криле

Първо – за производството на съвременни въглеродни влакна е необходимо скъпо оборудване и огромен технологичен опит, поради което Русия внася тези влакна. Основните производители в света са три японски компании – Toray, TOHO TENAX и Mitsubishi Rayon.

Второ – “АэроКомпозит-Ульяновск“ използва технология на австрийската комания FACC, с помощта на която успява да овладее технологията на изготвяне на карбонови крила. Въпреки, че изследвания за използване на метода VaRTM в авиационната индустрия се правят в много страни именно компанията FACC събира в едно всички технологии. Тя създава пълно решение, което включва ноу-хау и оборудване за изготвяне на изготвяне на авиационни детайли от първо ниво по метода VaRTM. “АэроКомпозит-Ульяновск“ купува технологичен пакет за укрепване на въглеродни влакна с пластмаса и по този начин ползва резултата на многогодишни изследвания. Освен това в нейната производствена база работи оборудване на немската компания Kuka и испанската компания MTorres.