ВЗЛЁТ 2012 10

Кроме того, на стендах и в аэродинамических трубах мы должны довести нашу конструкцию до режимов, на которые при реальной эксплуатации самолет выходить не должен. Это необходимо для определения и подтверждения запасов, которые конструкция обязательно должна иметь.

Каждый элемент следует нагрузить правильной системой сил и моментов с тем, чтобы для исследователей и разработчиков не осталось «белых пятен». Чтобы решить эту проблему, мы заранее определили облик экспериментальной базы, которая потребуется для проведения комплекса прочностных исследований как на этапе разработки, так и на этапе сертификационных испытаний. Для этого был разработан специальный план, который мы продолжаем реализовывать, создавая соответствующие стенды.

В чем новизна самолета МС-21 с точки зрения прочнистов ЦАГИ?

Я бы выделил здесь три момента, связанные с тематикой прочности конструкции. Впервые на пассажирском лайнере применено тонкое крыло такого большого удлинения, что требует решения ряда проблем, связанных не только с прочностью, но и с аэроупругостью.

Впервые в России, а в данном классе ЛА и впервые в мире, используется композитное крыло, центроплан и оперение, которые соединяются с традиционным металлическим фюзеляжем. На самолете МС-21 планируется иметь высокую – до 35% массы – долю композитов в конструкции. На отечественных самолетах предыдущего поколения этот показатель не превышал 10%. Причем композиты не применялись в силовых ответственных конструкциях.

Новинкой также является использование специальной системы снижения нагрузок и управления ими, что непосредственно связано с проблемами прочности.

К особенностям проекта, безусловно, относится и широкая международная кооперация.

Как я понимаю, материальным воплощением отмеченных особенностей проекта стал композитный кессон крыла, который испытывается в ЦАГИ?

Силовой кессон крыла из композиционных материалов – это важнейший несущий элемент конструкции. В настоящее время мы ведем испытания его прототипов. Затем перейдем к испытаниям реальных натурных образцов кессона. Это – главный элемент нашего комплексного плана работ по обеспечению прочности и, я бы сказал, по созданию конструкции самолета МС-21 вообще.

Работу мы ведем совместно с корпорацией «Иркут» и дочерним предприятием ОАК – компанией «АэроКомпозит», которая создана для проектирования и производства крупных композитных конструкций.

В ходе первого этапа работ проведены экспериментальные исследования жесткости кессона и частотные испытания в широком диапазоне частот. При этом нами исследовано изменение свойств образца после нанесения повреждений, характерных для эксплуатации самолета.

В ходе испытаний первый прототип кессона выдержал эксплуатационные нагрузки. Затем были проведены его испытания при экстремальных нагрузках. Запланированное в ходе этих тестов разрушение образца произошло в расчетном месте.

Мы впервые в ходе проекта имитировали поведение основной силовой части крыла и получили эффекты, предсказанные при проектировании. Этот важнейший результат повышает нашу уверенность в том, что все расчетные и проектные методики в целом правильно работают в совокупности с выбранной инфузионной технологией производства композитной конструкции.

Выполнив этот этап, мы смогли двигаться дальше.

Каково содержание дальнейших работ?

Всего запланированы испытания трех прототипов кессона.

Первый, о котором я сказал, полностью еще не отработан. После ремонта он будет использован для дальнейшего исследования поведения конструкции, имеющей различные повреждения, а также отремонтированные участки. Второй прототип также находится в лаборатории статических испытаний, где ведется ряд работ, связанных как с прочностью, так и с отработкой технологий стыковки композитных деталей с металлическими.

Третий прототип кессона будет испытан в лаборатории динамических испытаний с позиции усталостной прочности при эксплуатации.

Параллельно с испытаниями прототипов кессона запланирован колоссальный объем испытаний различных образцов и элементов конструкции. В целом будет испытано несколько тысяч образцов и элементов конструкции.

Затем мы просуммируем все результаты и подведем итоги, на базе которых будут приняты решения и рекомендации для дальнейших проектных работ.

В чем особенности испытаний конструкций из композиционных материалов?

Основная особенность состоит в том, что композиты, в отличие от металлов, сами являются конструкцией, причем анизотропной. В ней есть волокна углерода, связующее, укладка слоев с различной ориентацией и т.д.

Композиты обладают колоссальными потенциальными преимуществами, как, например, отсутствие коррозии, высокие ресурсные характеристики, очень высокая удельная прочность. Этот показатель для углеродных волокон – основы современных композитов – доходит до 500 кг/мм² , т.е. в 3-5 раз выше, чем у стали.

Однако реализовать и использовать эти высокие характеристики в реальных условиях конструкции достаточно сложно. Любая инновация имеет свои плюсы и минусы. Так, например, для композитов критична ударная прочность, климатические воздействия. Приходится проводить много испытаний, чтобы ответить на вопрос, как изменится прочность всех подверженных эксплуатационным повреждениям агрегатов. Причем эти повреждения могут быть и при изготовлении, и при эксплуатации.

Отсюда возникает очень большая пирамида испытаний – от элементарных образцов и небольших элементов до полноразмерной конструкции. Все они нагружаются и на растяжение, и на сжатие, и на сдвиг, и на межслойный отрыв.

Необходимо изучить характеристики прочности агрегатов при климатических воздействиях, при насыщении влагой, при взаимодействии с различными жидкостями (например, с керосином), при акустических воздействиях. Возникают и другие вопросы – например, стойкость композитов к удару молнии, методика испытаний металло-композитных конструкций.

Нам важно все это изучить и понять для конкретной конструкции.

Насколько возрастет объем испытаний при переходе от металлов к композитам?

Если просто посмотреть на характеристики типового металлического материала, которые исследуются при квалификации материалов, при сертификации, то для композиционных материалов число исследуемых характеристик больше в 2-2,5 раза.

Поскольку композиты сами по себе являются конструкцией, нам нужно знать гораздо больше параметров. Кроме того, необходимо учитывать значительные статистические разбросы, характерные для композитов.