Композитные лопасти: выкладка или намотка?

Часть 1

О целесообразности замены металлических лопастей на композитные

Необходимость применения композитных материалов при изготовлении лопастей вертолетов ни у кого не вызывает сомнений. Предметом обсуждения, как правило, является выбор той или иной технологии, стоимость, надежность, стабильность характеристик. Большую роль при принятии решения об установке на вертолет композитных лопастей играет элементарная экономическая и технологическая целесообразность. В частности, для вертолетов, эксплуатирующихся на сравнительно небольших скоростях, композитные лопасти могут оказаться излишней роскошью, так как возникающие в этом случае сравнительно небольшие переменные деформации могут выносить и традиционные материалы. Кроме того, лопасти из композитов значительно дороже, например, лопастей вертолетов Ми-8, Ми-17, производящихся на основе прессованных лонжеронов из алюминиевых сплавов. При ресурсе 2000 часов и среднегодовом налете вертолетов 250–300 часов эти лопасти могут служить 6–8 лет.

Ресурс композитных лопастей может быть в 5-10 раз больше ресурса металлических, и даже если они будут вдвое дороже, их преимущество будет очевидным. Действительно, цена одного летного часа эксплуатации лопасти становится в K раз меньше:

Однако эксплуатант все же стоит перед выбором: купить композитную лопасть, экономический эффект от которой он начнет получать только через 12–16 лет после начала эксплуатации, или более дешевую сегодня металлическую, вложенные в которую деньги начнут «работать» быстрее.

Конечно, замена металлических лопастей на более легкие композитные может дать дополнительные преимущества: уменьшение расходов горючего, увеличение полетной нагрузки и т. п., то есть принести некоторый экономический эффект.

Однако практика показала, что экономический эффект от замены традиционных лопастей на композитные весьма невелик: цена летного часа не зависит от величины перевозимого груза, а экономия горючего за счет выигрыша в весе за 1000 часов эксплуатации составит не более 10 % от цены комплекта.

Возникает уместный вопрос: а нужны ли вообще лопасти из композитных материалов? Да, нужны, но только в определенных случаях. Во-первых, при создании скоростных машин, когда необходимо использовать способность композитов выносить большие переменные деформации. Во-вторых, при разработке боевых вертолетов, лопасти которых должны работать, несмотря на серьезные повреждения конструкции. И в-третьих, при конструировании новых, более легких летательных аппаратов, когда экономический эффект от уменьшения массы конструкции будет выше затрат на использование композитных материалов.

Конструктивно-технологические особенности процесса намотки

Выберем для рассмотрения наиболее простую для такой технологии конструкцию, состоящую из изготавливаемых отдельно лонжерона и хвостовых секций (или сплошной хвостовой секции на всю длину лопасти) (рис. 1). Для получения необходимых жесткостных и прочностных свойств лонжерона, как в аспекте однократного нагружения, так и в аспекте циклической прочности, необходимо определенным образом расположить волокна композита. Это расположение характеризуется углами аир. Можно предположить, что, наматывая нити на оправку лонжерона по определенной программе, мы получим заданное расположение волокон с оптимальными углами намотки для различных сечений лопасти. В результате может показаться, что задача решена и необходимые свойства получены. Но это только на первый взгляд. Дело в том, что конструкция композита должна иметь неизменяющиеся или слабо изменяющиеся свойства по всему объему материала и достаточно низкую ползучесть.

Рассмотрим способность технологии обеспечить равномерность свойств по всему объему композита.

Сечение лонжерона представляет собой дельтовидную фигуру. В ней можно выделить небольшие участки, где кривизна имеет значительную величину — это r ₁, r ₂, r ₃, и участки, где кривизна весьма мала — это R ₁, R ₂, R ₃, (рис. 2).

Представим, что лонжерон равномерно вращается вокруг длинной оси лопасти Z, а нить, которая наматывается на лонжерон, изначально натянута с некоторой силой. Если длина нити невелика, а сама она достаточно жестка на растяжение, то усилие, которое действует в нити, будет изменяться по углу поворота лонжерона. При этом натяжение будет больше в моменты прохождения участков малых радиусов (r) и меньше в моменты прохождения участков с большими радиусами (R). Разумеется, могут быть задействованы различные устройства, сглаживающие колебания сил натяжения, но полностью избавиться от этого вряд ли удастся. При этом побочным, но реальным результатом, по-видимому, будет низкая скорость намотки, а это имеет уже прямое отношение к производительности процесса.