Полимеры стали выгодным материалом в авиастроении
В 2010 году компания Bayer MaterialScience (сейчас она выступает под новым брендом Covestro AG) стала официальным партнером проекта Solar Impulse по разработке самолета с электродвигателями, питающимися от солнечной энергии. 24 апреля этого года "солнцелет" Solar Impulse 2 под управлением швейцарца Бертрана Пикара приземлился в США после трехдневного полета над Тихим океаном, и это стало знаковым историческим событием.
При строительстве и проектировании воздушных судов последнего поколения используется все больше композитных материалов. Это неудивительно: глобальный пассажиропоток растет, цены на авиабилеты снижаются, авиакомпании стараются сократить эксплуатационные расходы, в том числе и за счет снижения массы воздушных судов. Специалисты оценивают текущую емкость рынка полимеров в авиастроении в 8,17 миллиарда долларов США.
Еще в 1950-е годы прошлого века конструкторы попытались применить стеклопластик для обшивки передней части авиационных двигателей. Они в среднем нагреваются от 100 до 300 °С. Впоследствии армированные пластики использовались в проектах по созданию баллистических ракет "Поларис" и "Минитмен", а позднее - при изготовлении корпусов самолетов "Боинг-747", созданных на основе стеклоровницы, пропитанной полиимидом.
"Основной недостаток стеклопластиков, заключающийся в их низкой удельной жесткости, был преодолен в более новых композитах - углеродопластиках и боропластиках, из которых начали изготавливать различные элементы самолетов сначала в Америке, а потом и в Европе. Ключевое преимущество этих двух композитов - легкость, позволяющая снизить массу различных типов авиационной техники в среднем от 21 до 35 процентов", - говорит Роман Голов, профессор, доктор экономических наук, директор Института менеджмента, экономики и социальных технологий Московского авиационного института (Национальный исследовательский университет).
Кстати, применение таких полимеров, как герметики, позволило самолетам подняться на высоту 10 километров и выше.
Лакокрасочные материалы играют особую роль в авиастроении: защита от атмосферных воздействий и агрессивных сред, морозостойкость, гашение вибрации, терморегуляция и другие. Например, краска на основе пластифицированных полиуретанов дает обшивке самолета морозостойкость от минус 40 до минус 60 °С, полиакриловый лак - вообще до минус 100 °С.
"Наиболее активно полимеры сегодня применяются при создании летательных аппаратов для малой авиации. Легкие, двух-, четырехместные самолеты или вертолеты, здесь доля композиционных материалов может достигать 80 процентов от массы летательного аппарата. Это обусловлено, во-первых, стоимостью изготовления такого летательного аппарата, во-вторых, его летными качествами. Пример - самолеты австрийской фирмы "Даймонд", немецкие Extra, Extrime. Почти все мировые производители летательных аппаратов такого типа перешли на применение ПКМ, причем уже давно. В "большой" авиации, как гражданской, так и военной, процент применения полимеров пока гораздо ниже", - говорит Камиль Нурдавлетов, руководитель проекта по созданию в России производства спортивно-пилотажных самолетов.
Крупные производители переходят на использование ПКМ в своих изделиях. Первопроходцы уже есть, это Dreamliner и Airbus А380. Они уже доказали, что полимеры - это выгодно. Более того, они создали технологический задел для выпуска новых самолетов с еще большей долей композитов. Отечественный МС-21 также будет композитным как минимум на 40 процентов, обещают в ОАК.
"В авиастроении доля полимеров в 2005 году составляла около 15 процентов общей массы самолета, сейчас - около 20. К 2020 году предполагается увеличить долю полимерных комплектующих до 25 процентов. В целом менее чем за десятилетие аэрокосмическая промышленность увеличила спрос на полимеры более чем в 5 раз", - говорит Армен Даниелян, партнер, директор по стратегическому развитию АКГ "ДЕЛОВОЙ ПРОФИЛЬ" (GGI).
Полимеры характеризуются легкостью, разнообразием состава и широким диапазоном технических свойств, что позволяет широко использовать их в авиастроении. Детали, изготовленные на основе полимерных материалов, в среднем на треть легче металлических аналогов при одинаковой прочности.
Стоимость полимерного сырья пока выше, чем металлических аналогов. Это обусловлено сложной технологией производства полимеров. Однако экономия затрат на обработку, сборку, а также снижение расходов на транспортировку позволяют существенно снизить цены на готовые компоненты, что делает применение полимеров в авиастроении экономически эффективным. Например, при выработке деталей самолета из алюминиевого или другого металлического сырья в отходы и в обратную переработку уходит до 90 процентов материала, в то время как изготовление полимерной детали, сопоставимой по характеристикам, не оставляет отходов и позволяет получить деталь в заданных параметрах.
"У металлов есть понятие "старение", есть усталостная прочность, у углепластика, при должном изготовлении этого быть не должно. На практике это выглядит следующим образом: у металлического самолета ресурс по "крылу" может быть от 10 до 25 лет. Потом на таком самолете летать уже опасно, и его продают в "третьи страны". У композитного крыла ресурс закладывается от 50 лет. Применение углепластиков пока не самое дешевое удовольствие. Но благодаря падению цены и развитию технологий оно уже стало экономически выгодным. Хотя еще пятнадцать лет назад это было не так. Вопрос по стоимости достаточно сложный. Композиты стоят, как правило, дороже металлов. Но это очень сильно зависит от того, что делать, из чего, по какой технологии и где", - говорит Камиль Нурдавлетов.
По мнению Романа Голова, сейчас мы переживаем полимерный ренессанс, совершающийся усилиями крупных авиакомпаний. Благодаря им композитные материалы стали неотъемлемыми элементами общей инновационной экосистемы авиастроения.
Достаточно ярким примером использования инновационных полимерных материалов является наиболее амбициозный проект российского авиастроения последних десятилетий - самолет "Сухой Суперджет 100". В составе использованных при его создании материалов доля композитов занимает порядка 10-12 процентов. В частности, из композиционных материалов были созданы его агрегаты механизации крыла и оперения, элероны, обтекатель стыка крыла с фюзеляжем, тормозные щитки, рули, интерцепторы, носовой радиопрозрачный конус. Важным фактором при этом является курс на увеличение доли прогрессивных полимерных материалов в конструкции его последующих модификаций, для чего уже сейчас научным коллективом "Объединенной авиастроительной корпорации" ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.