Гермокабина экипажа

Важным требованием к материалу для изготовления герметичной оболочки является обеспечение газонепроницаемости при минимальной толщине. Получение герметичной матрицы, а следовательно материала, возможно при использовании расплавленных клеевых композиций в качестве термореактивных связующих.

Следующим основополагающим фактором при выборе материала является безопасность применения для экипажа, т.е. материалы должны быть негорючими или самозатухающими, а при возможном возгорании должны иметь низкое дымовыделение. При этом среди продуктов термоокислительной деструкции не должно быть опасных для жизни выделений во внутренние объемы кабины. С этой точки зрения целесообразно рассматривать ПКМ на основе фенольного связующего в сочетании с углеродными волокнами.

Важным фактором является обеспечение эксплуатационной надежности материала кабины по безопасности и ремонтопригодности. Для повышения трещиностойкости целесообразно рассматривать сочетание несущих слоев с покровными на основе углеродных и органических волокон. Повышение удельной ударной вязкости достигается также выбором схемы укладки армирующих волокон: максимальные значения достигаются при укладке +45º, минимальные при ортогональной укладке.

 

Механизация, рули, тормозные щитки.

Эти агрегаты могут иметь сотовую или интегральную конструкцию, изготовленную из углепластиков. При этом узлы навески могут быть запрессованы в структуру в одной из обшивок, что может обеспечить дополнительное снижение массы.

Все сборочные единицы из углепластика, оформляющие наружный контур изделия, должны быть облицованы компрессованной при совместном формовании стеклотканью. Зоны непосредственного контакта углепластика с алюминиевыми сплавами должны иметь разделительный слой стеклоткани.

 

Применение КМ в элементах каркаса и наиболее часто применяемые варианты конструкции.

3.3.1. Шпангоут. Так как шпангоут - это поперечный элемент конструкции фюзеляжа, работающий на нагрузки, действующие в его плосткости, как то: сдвиг, растяжение-сжатие, изгиб. Эти нагрузки действуют в поясах шпангоута- работающих на растяжение- сжатие, а его стенки работают на сдвиг. Т.е. наиболее рационально будет расположение основной части армирующих волокон вдоль периметра шпангоута в его поясах, и под углом ±45° в его стенках. Одним из наиболее технологичных вариантов конструкции из КМ является шпангоут коробчатой конструкции, полученный методом намотки, показанный на рисунке

3.3.1.

 

Рис 3.3.1

 

Когда две кромочные нити, подаваемые с катушки, обматываются системой перекрестных нитей, сматываемых с вертлюгам 1, обминается на формообразующем ролике 2 для получения коробчатой формы, а затем подается на оправку 3 и 4 для получения формы и образования ребер жесткости. При необходимости (например при изготовлении усиленного шпангоута) внутрь коробчатой структуры закладывают усиливающие вставки.

В общем случае, в шпангоуте получнным методом выкладки, слои лежащие на поверхности имеют ориентацию 90°, между ними чередуются слои ±45°. Пояса и полки усиливаются вставками материала с ориентацией 0°.

 

3.3.2. Лонжерон. Нулевым направлением для лонжерона является линия стыка его стенки с одним из поясов. Лонжероны из КМ могут иметь сплошную или трехслойную стенку и сплошные или слоистые пояса. Стенка может быть прямолинейной, либо гофрированной вдоль его продольной оси. Гофрированная стенка позволяет получать более высокие уровни критических напряжений местной потери устойчивости. Материалом для лонжерона чаще всего служит углепластик или стеклотекстолит.

Процесс изготовления лонжерона из КМ включает в себя: предварительное формирование стенки из двух симметричных половин, поясов и силовой вставки для усиления связи продольных слоев с материалом стенки (обеспечивает непрерывность силового потока); сборку предварительно отформованных элементов лонжерона в ограничительном приспособлении; автоклавное формование и отверждение.

При соединении лонжерона из КМ используется прошивка стеклянными, органическими или угольными нитями; может использоваться постановка титановых иголок в месте перехода от полки к стенке в зоне закругления, а иногда и то и другое вместе.

.

 

 

 

Рис 3.3.2. Пример выполнения лонжерона с криволинейной стенкой из КМ.

 

3.4. Обшивка. Принципы проектирования и технология (трехслойные панели и панели со стрингерным подкреплением)

.

Трехслойные панели В общем случае трехслойные панели представляют собой две тонкие обшивки, соединенные между собой через разреженый заполнитель (Рис 3.3). Заполнитель (I) обеспечивает совместную работу верхней (II) и нижней обшивок (III), что придает изделию высокую удельную жесткость и прочность.

Обычная технология изготовления трехслойной панели предусматривает выкладку слоев наружной и внутренней обшивок; отверждение на формующей оснастке в автоклаве внутренней и наружной обшивки; изготовление заполнителя в размер; подгонку заполнителя к внутренней обшивке из КМ; склеивание в автоклаве внутренней обшивки и заполнителя; сборку внутреннней обшивки с заполнителем и наружной обшивки на негативной оснастке (наружная обшивка внизу); вакуумирование и отверждение в автоклаве; разборку и контроль качества панели.

 

 

Рис 3.4.1. Вариант трехслойной панели, изготавливаемой по многостадийной технологии.

 

Усовершенствованная технология предусматривает одновременное выполнение операций формования обшивок и их склеивания их с заполнителем, чем сокращается технологический цикл и затраты на изготовление. В этом случае выкладываются, обрезаются и предварительно формуются две обшивки, состоящие из четырех-пяти монослоев (Слои для соблюдения конструктивной симметрии располагаются в следующем порядке: первая обшивка: +45, 0, 90, –45, затем идет наполнитель, и вторая обшивка -45, 90, 0, +45, или +45, 0, 90, 0, –45, наполнитель, -45, 0, 90, 0, +45. Несмотря на то, что каждая в отдельности обшивка резко не симметрична, одновременное отверждение позволяет избежать каких либо поводок конструкции, что подтверждается на практике).

 

При выборе варианта изготовления панели прежде всего следует учитывать материал, на основе которого планируется производство изделия. Не каждое сочетание материалов обшивок и заполнителя может позволить применение одновременного цикла производсва. К примеру, при температурах, требуемых для отвеждения некоторых термопластических обшивок может произойти разрушение заполнителя, в случае изготовления его из КМ на термореактивном связующем.

 

В качестве заполнителя используются сотовые (Рис 3.4.2.а), стрежневые (Рис 3.4.2.б) и (Рис 3.4.2.в), трубчатые (Рис 3.4.2.г),(Рис 3.4.2.д) и (Рис 3.4.2.е) и гофровые заполнители (Рис 3.4.2.ж) и (Рис 3.4.2.з).

 

 

 

а) б) в)

 

 

г) д) е)

 

ж) з)

 

Рис 3.4.3.. Зависимость механических характеристи разреженых заполнителей от их плотности g; а – модуля сдвига G_xz; б – предела прочности t_{b xz}:

 

стержневого заполнителя 2- из Al-Be сплава 3-Углепластик с модулем упругости Ест=140 ГПа 4-Углепластик с модулем упругости Ест=115 ГПа 5-Углепластик с модулем упругости Ест=90 ГПа 6-сталь 7- Ti- сплав 10- стеклопластик	сотового заполнителя 1-из Al-сплава 8-полимерной бумаги 9-стеклопластика
заполнитель из треугольных трубок 11- стеклопластик

 

 

 

Рис 3.4.4. Зависимость предела прочности на отрыв s_отр от плотности заполнителя g;

1-сотовый заполнитель из алюминеевого сплава.

2- сотовый заполнитель из стеклопластика

3- трубчатый заполнитель из стеклопластика

 

Трехслойные панели с сотовым заполнителем. (Рис 3.3.1.а) Применение трехслойных панелей с заполнителями в конструкциях летательных аппаратов позволяет:

- снизить массу и трудоемкость по сравнению с клепанными конструкциями на 10...30 %;

- сократить количество деталей в конструкциях в 3...4 раза;

- повысить теплоизолирующие свойства панелей;

- значительно повысить качество обтекаемых поверхностей;

- повысить жесткость конструкций в 3...4 раза.

- настилов пассажирских полов, полов кабины экипажа;

- перегородок различного назначения;

- багажных полок;

- облицовок грузовых, пассажирских и пилотских кабин.

При проектировании агрегатов с сотовым заполнителем производится перерасчет габаритов блока сотового заполнителя после растяжки.

 

 

Производство сотовых заполнителей. При изготовлении заполнителей используют непропитаные и пропитанные связующим крафт-бумаги, различные алюминиевые сплавы, арамидные бумаги, стеклопластики. В меньших количествах для этого испольуются титановые и стальные листы.

Существуют два основных метода производства сотовых структур.

а) Растяжение: предварительно соединеный по исходным линиям пакет растягивается, одновременно образовывая ячеистую структуру. Преимущество процесса заключается в одностадийности операции.

б) Рифление: Листы исходного материала предварительно подвергаются рифлению. Это могут быть листовые металлы, пластики, бумага, армированные пдастики и т.д.

· Наиболее общеупотребительная форма ячеек заполнителя

· Высокие критические напряжения обшивок и сотовой конструкции в целом

· Простота изготовления.

 

 

· Исключительная формуемость.

· Принимает криволинейную форму без изгиба стенок ячеек

· Сохраняет механические свойства в согнутом состоянии

 

 

 

· Стандартные ячейки, вытянутые вверх

· Легко принимают искривленную форму в направлении высоты ячейки

· Рекомендуется для использования в агрегатах цилиндрической и сложной криволинейной формы

 

· Высокоплотный заполнитель

· Высокая прочность на сдвиг вдоль направления показанного на рисунке стрелкой

 

 

Трехслойные панели с сотовым заполнителем рекомендуется применять в конструкции:

- хвостовых частей крыла и оперения;

- носовых частей крыла и оперения (в необогреваемых зонах);

- закрылков, предкрылков (хвостовая часть), интерцепторов и тормозных щитков, серворулей, триммеров, элеронов;

- рулей высоты и рулей направления;

- крышек люков, створок дверей;

- панелей мотогондол, пилонов;

- зализов, обтекателей шасси;

 

Типовые варианты сечений сотовых панелей с обшивками из алюминиевых сплавов
Форма поверхности обшивок	Эскизы типовых сечений	Зоны установки
Плоская, одинарной кривизны		Панели хвостовых частей крыла, стабилизатора, киля, силовые крышки гермолюков.
Плоская		Законцовки элеронов, закрылков, рулей.
Одинарной кривизны		Интерцепторы, щитки
Плоская, одинарной кривизны		Панели пола, силовые крышки гермолюков
Линейчатые образующие		Триммеры, сервокомпенсаторы

 

 

Типовые варианты сечений сотовых панелей с обшивками из КМУ
Форма поверхности обшивок	Эскизы типовых сечений	Зоны установки
Плоская, двойной или одинарной кривизны		Панели зализов, откидные панели крыла и оперения, крышки люков, двери, створки ниш шасси, обтекатели монорельсов
Плоская, двойной или одинарной кривизны		Гермощитки, створки ниш шасси
Плоская		Панели пола
Плоская, двойной или одинарной кривизны		Панели пола, крышки люковых проемов
Плоская, двойной или одинарной кривизны		Створки крупногабаритных люковых проемов
Линейчатые образующие		Триммеры, сервокомпенсаторы и т.п.
Плоская, одинарной кривизны		Панели пола, силовые откидные панели
Одинарной кривизны с линейчатыми перегибами		Обтекатели монорельсов механизации крыла

 

 

Типовые варианты сечений сотовых панелей с обшивками из органопластов
Форма поверхности обшивок	Эскизы типовых сечений	Зоны установки
Плоская, двойной или одинарной кривизны		Крышки люковых проемов, двери между негерметичными отсеками
Плоская, плоская с линейчатыми перегибами, одинарной кривизны		Пеегородки в салонах, сиденья и спинки сидений диванов в саонах
Одинарной кривизны		Панели потолка кабины и спец. отсеков
Плоская с линейчатыми перегибами		Короба для защиты монтажей и коммуникаций
Одинарной кривизны, плоская, плоская с линейчатыми перегибами		Панели потолка кабин

 

Типовые варианты сечений сотовых панелей, к которым в процессе эксплуатации предьявляются требования не только сохранения заданного контура при восприятии заданного уровня нагрузок, но и сохранения несущей способности при хождении по этим конструкциям, в процессе обслуживания самолета.
Форма поверхности обшивок	Эскизы типовых сечений	Зоны установки
Плоская, одинарной кривизны		Панели хвостовых частей крыла, стабилизатора, крышек люков, по которым возможно хождение при обслуживании самолета
Плоская		Панели полов в пилотских, пассажирских и санитарных отсеках

 

Зависимость конструкции сотовой панели от технологии производства. В случае производства сотовой панели по многоступенчатой технологии обычно используются три основных способа соединения наполнителя и обшивки: сварка, пайка и клеевые соединения.

Одним из существенных моментов производства сотовых пенелей из неметалических материалов с применением клеевых соединений является то, что в процессе реакции отверждения адгезивов (клеев, применяемых для соединения обшивок и наполнителя)

часто образуются газообразные побочные продукты, присутствие которых в материале может вызвать ряд проблем, как то:

- при внешнем давлении образуются несоединенные или ослабленные области за счет пузырей (“блистеров”);

- заполнитель отслаивается за счет выделившегося газа, если внешнее давление мало;

- сотовый заполнитель может смещаться, иногда на десятки миллиметров, за счет газов, выделившихся при отверждении;

- последующая коррозия заполнителя, в результате его химического взаимодействия с газообразными продуктами реакции отверждения, или с их конденсатами.

В целях ликвидации этого недостатка используют пленочные клеи с насечками, через которые выходят газообразные продукты при отверждении. Если этот способ неприемлем, то приходится применять дренажированный заполнитель.

 

При заделке торцов и соединении трехслойных панелей различной высоты необходимо избегать местного ужесточения конструкции. Для этого заделку и соединение выполняют с плавным изменением толщины трехслойной панели. Технологические свойства некоторых углепластиков, для которых в качестве связующего используется пленочный клей, применяемый для склеивания сотового заполнителя с несущими слоями, позволяют выполнить заделку или соединение непосредственно при склеивании трехслойных панелей. Это особенно важно при выполнении сборки и склеивании конструкции на переналаживаемой и каркасно-шаблонной оснастке.

На конструкцию и технологию заделки торца сотовой панели также влияет, по какой из двух основных технологий сборки производится изготовление.

Существуют следующие варианты конструкции для панелей с многоступенчатой сборкой:

С закладным элементом, при котором заделка производится в следующей последовательности: блок сотового заполнителя заливают вспенивающейся композицией; после полимеризации клеевой композиции фрезерованием изготавливают закладной элемент; сборку выполняют в соответствии со схемой, представленной на рис. 1-3

 

 

а) б) в)

Рис 3.4.5. Последовательность заделки торца сотовой панели: а - запенивание сотового блока; б – фрезерование закладного элемента; в – сборка;

А также следующие варианты:

 

 

а) Цельная заделка б)С торцевой накладкой

 

Рис 3.4.6.

 

. На подготовленный под склеивание нижний несущий слой укладывают пленочный клей, далее устанавливают и фиксируют закладной элемент, на который последовательно укладывают пленочный клей и верхний несущий слой. Затем по шаблонам вырезают заготовки, представляющие собой два перекрестно-ориентированных слоя углеродной ленты с проложенным между ними пленочным клеем. На подготовленную сборку в соответствии со схемой армирования выкладывают заготовки и приглаживают подогретым роликом. Далее укладывают разделительные и дренажные слои, а затем выполняют контурную герметизацию. Сборку подключают к вакуумному насосу и устанавливают в термопечь для проведения формования и склеивания, в соответствии с заданными режимами.

Согласно этой же технологии можно изготавливать конструктивные элементы силового набора (лонжероны, стрингеры) непосредственно на трехслойных панелях (рис. 2-3). При сложных формах элементов углепластиковую накладку необходимо предварительно подпрессовывать.

 

Сотовые заполнители агрегатов, имеющих форму клина в сечении по хорде или скосы, характерные для панелей, проектируются с минимальной высотой не менее 4 мм. (рис. 6-2)

.

 

Рис 4.3.7.

 

Краткие выводы:

К достоинствам клееных сотовых панелей можно отнести следующие:

- возможность поместить внутрь панели силовой элемент (профиль, узел, гребенку или усиление общивки), соединенный с обшивкой и заполнителем, и вывести стыкуемую часть этого элемента наружу за обводы панели крепления со смежной конструкцией;

- возможность получать при любой толщине используемой в настоящее время фольги и обшивок надежное соединение заполнителя с обшивками панели;

- относительня простота изготовления панелей с переменной высотой и плотностью заполнителя, а также с переменной толщиной обшивок клиновидных и криволинейных панелей.

К недостаткам клееных сотовых панелей относят:

- наличие клея, ухудшающего антикоррозионные и прочностные свойства соединения по сравнению с основным материалом панели при определенных условиях эксплуатации (влажность, наличие солей, кислот, температура);

- наличие клея, ограничивающего диапазон рабочих температур. Так, применение клееных сотовых конструкций возможно при температуре эксплуатации до 160 – 200°С, паяных – до 700 – 900°С (в зависимости от марки клея или припоя).

Проектирование сотовых конструкций требует учета специфических особенностей изготовления сотовых панелей:

- при изготовлении клееных панелей с сотовым заполнителем все входящие детали соединяются в процессе склеивания одновременно;

- для успешного проектирования и изготовления сотовой конструкции необходимо иметь отработанные типовые конструкции стыковочных узлов и законцовок панелей. Заменить или усилить в изготовленной сотовой конструкции отдельные элементы, по какому-либо признаку не удовлетворяющие требованиям прочности, невозможно без разрушения панели. В этом случае для улучшения конструкции необходимо заново изготавливать всю сотовую панель, что значительно увеличивает продолжительность конструктивно-технологической отработки сотовой конструкции и, соответственно, возрастает ее стоимость.

 

Трехслойные панели на основе стержневого заполнителя. Стержневой заполнитель представляет собой пространственную систему взаимопересекающихся стрежней, которые образуют трехмерные ячейки (ввиде паралеллепипедов, кубов, тетраэдров и пр.). Стержнями заполнителями могут служить металическая проволока, нити или жгуты неметалического КМ.. Узловые соединения стержней из металла или термоластического КМ осуществляются сваркой, а стежней из термореактивного КМ – связующим из самого материала.

Трехслойные панели на основе трубчатого заполнителя. Трубки наполнителя обычно производятся методом намотки, после чего пропитываются связующим, затем им придается требуемая форма, и затем отверждаются и обрезаются по длине.

Если расчетная нагрузка, прикладывемая к проектирумой панели, будет носить в основном сдвиговый характер, то предпочтительным углом намотки заготовок наполнителя будет 45⁰. Если же панель будет в основном работать на растяжение-сжатие, то оптимальным углом намотки будет 60⁰.

Трехслойные панели на основе гофрозаполнителя представляют собой два листа обшивки, соединенной заполнителем деформированным каким-либо образом (с п-образными и треугольными профилями, тетрагональный заполнитель и т.д.)

 

Трехслойные панели с пенозаполнителем изготавливаются на основе связующего (какой-либо из смол) и внедренных в него стеклянных микросфер диаметром около 70 микрон. Позволяет легко формировать агрегаты со сложным профилем и обладает высокой жесткостью и прочностью. Применение таких панелей позволяет снизить стоимость и вес конструкции.

В настоящее время панели с пенозаполнителем редко используются в конструкциях толще чем 6,4 мм (1/4 дюйма), т.к. соотношение их плотности и плотности панелей с сотовым заполнителем варьруется в пределах от 4 до 20 раз. Панели с сотовым заполнителем и панели на основе пенозаполнителя используются схожим образом, но выполняют разные конструкционно-прочностные задачи. Панели с пенозаполнителем особенно хорошо работают на сжатие, поперечные и боковые нагрузки, достигается высокая гладкость поверхности наружних обшивок, нагрузка равномерно распределена по площади панели, а также отсутствует проблема проникновения влаги в панель в процессе эксплуатации.

 

Краткие выводы:

Применение трехслойных панелей с заполнителями в конструкциях летательных аппаратов позволяет:

- снизить массу и трудоемкость по сравнению с клепанными конструкциями на 10...30 %;

- сократить количество деталей в конструкциях в 3...4 раза;

- повысить теплоизолирующие свойства панелей;

- значительно повысить качество обтекаемых поверхностей;

- повысить жесткость конструкций в 3...4 раза.

 

Варианты крепления трехслойных панелей на примере панелей с сотовым заполнителем.

При постановке крепежа через соты или каких-либо окантовок по полю панели, в месте постановки указанных элементов соты заливают вспенивающимися клеями индивидуально для каждой точки, объединением нескольких точек в ряду или заливкой отдельных блоков.

Крепление сотовых конструкций производится посредством втулок. Варианты конструктивных схем местных усилений сотовой конструкции в зонах постановки крепежных элементов.

 

(Рис. 4.3.8.). Соединение, выполняемое по типу I (см. рис.5-2), рекомендуется для облицовочных панелей интерьера, по типу II – для малонагруженных конструкций, по типу III и IV – для узлов навески, передающих значительные сосредоточенные нагрузки, по типу V – для постановки регулярного крепежа по кромкам панели. В месте установки втулки соты усиливаются путем заполнения их вспенивающейся клеевой композицией. Зона заполнения определяется, исходя из конкретных величин действующих на элемент крепежа усилий, но не менее трех диаметров втулки. Величина размера стороны ячейки сот в месте залива незначительно влияет на несущую способность соединения. Постановка шайбы под головку потайного болта в месте крепежа увеличивает допустимые нагрузки на продавливание в 1,2...1,5 раза.

Рекомендуется производить заполнение сот пенопластом или вспенивающимся клеем в зонах передачи сосредоточенных нагрузок, местах, воспринимающих высокие удельные нагрузки сжатия и на участках, где необходимы высокие характеристики жесткости и прочности.

Выходящие на наружный контур сотовых конструкций клеевые швы покрывают герметиком. Независимо от материала обшивок сотовой конструкции, располагающейся вне внутренних объемов самолета, любой крепежный элемент, устанавливаемый со вскрытием отверстий в обшивках или каркасе, с выходом в полость сотового заполнителя, герметизируется с помощью герметика, наносимого во вскрытое отверстие и под головку крепежного элемента.