Панель из полимерного композиционного материала с молниезащитным покрытием
Владельцы патента RU 2588552:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области авиационной техники и касается диагностики механических свойств конструкций летательного аппарата, выполненных из полимерных композиционных материалов (ПКМ), в частности касается защиты от поражения молнией. Панель из ПКМ содержит обшивку, состоящую из молниезащитного покрытия и слоев углеткани, чередующихся со слоями из полимерного связующего, продольные стрингеры трапециевидного сечения. Стрингеры образованы с внутренней стороны обшивки пенопластовыми вкладышами. Молниезащитное покрытие расположено в верхнем слое обшивки и состоит из равнопрочной углеткани сатинового или саржевого плетения с металлическими включениями на основе посеребренной меди, вплетенными в структуру ткани, пропитанной полимерным связующим, содержащим углеродные наночастицы. Причем в структуру панели интегрированы оптоволоконные сенсорные элементы на основе брэгговских решеток. Достигается повышение стойкости панели к динамическим и тепловым нагрузкам после воздействия тока молнии в зоне смещающихся разрядов, обеспечение непрерывного мониторинга технического состояния и своевременного обнаружения и принятия решения о возможности безопасной эксплуатации панели вследствие механического и температурного воздействия разряда молнии. 2 ил.
Изобретение относится к областям авиационной техники и диагностики механических свойств конструкций летательного аппарата (ЛА), выполненных из полимерных композиционных материалов (ПКМ), и может быть применено для защиты от поражения молнией деталей и агрегатов ЛА в зоне смещающихся разрядов, а также использовано для создания интегрированной оптоволоконной системы мониторинга технического состояния конструкции ЛА в процессе эксплуатации, позволяющей в режиме реального времени регистрировать изменение напряженно-деформированного и температурного состояния конструкции путем опроса и обработки данных от сети сенсоров, определять численные значения деформаций и температур, в том числе с возможностью фиксации ударного воздействия, вызванного импульсом тока молнии, качественного определения возникновения и накопления дефектов вплоть до разрушения образца, а также остаточных напряжений.
Одной из важнейших задач, стоящих перед современным материаловедением, является обеспечение надежной защиты деталей и агрегатов авиационной техники, эксплуатирующейся в сложных метеоусловиях, а именно в условиях грозового фронта. Такие факторы, как развитие всепогодной авиации, оснащение самолетов современными электронными устройствами привели к возникновению повышенного интереса к вопросам обеспечения безопасности полетов. В этой связи широкое внедрение ПКМ в таких частях самолета, как горизонтальный стабилизатор, руль направления, элерон, закрылок, также вызывает особое внимание, поскольку требования, предъявляемые к ним, являются наиболее жесткими. По сравнению с металлами, ПКМ обладают гораздо более низким уровнем электропроводимости, что не позволяет им надежно проводить токи молнии по обшивке летательных аппаратов. Появляется вероятность прорыва молнии на элементы, находящиеся под обшивкой ЛА. Кроме тепловых воздействий удара молнии, приводящих к прожиганию обшивки из металла, при использовании ПКМ появляются и другие поражающие факторы: электрический разряд, ударная волна, электромагнитные излучения. Установлено, что конструкции из ПКМ получают значительные разрушения в виде пробоя, расщепления и расслоения армирующего наполнителя, выгорания связующего, а при предельных параметрах тока диаметр зоны разрушения может достигать десятков сантиметров. В условиях реальной эксплуатации ЛА дефекты, возникающие первоначально при воздействии молнии, могут значительно вырасти под действием набегающего потока и привести к появлению трещин и дальнейшему разрушению конструкции, поэтому решение проблемы молниезащиты ЛА приобретает все большую актуальность.
Также одним из важнейших факторов при реализации принципа безопасного повреждения становится необходимость мониторинга технического состояния воздушного судна (ВС) и возможность прогнозирования его остаточного ресурса. При условии применения эффективных средств и методик контроля элементов конструкции в эксплуатации, принцип безопасности повреждения позволит перейти к эксплуатации конкретного экземпляра ВС по фактическому техническому состоянию, что приведет к более полному использованию ресурсных возможностей парка ВС, увеличению коммерческого налета и снижению эксплуатационных расходов.
Методология оценки текущего технического состояния и прогнозирования индивидуального остаточного ресурса самолета в эксплуатации базируется на использовании текущей информации об объектах мониторинга, которая поступает по двум направлениям. Общим условием для получения и обработки информации об истории нагруженности объектов мониторинга является использование интегрированных сенсорных сетей, приборно-технических средств сбора, обработки и хранения данных от сенсоров, алгоритмов и программ для принятия решений.
Из уровня техники известна панель из композиционного материала, содержащая обшивку, продольные и поперечные элементы подкрепления, изготовленные совместно с обшивкой, отличающаяся тем, что элементы подкрепления выполнены в виде силовых поясов (усилений), расположенных на обшивке и лапках стрингеров (RU 2112698 C1, B64C 3/26, опубл. 10.06.1998).
Существенным недостатком этого изобретения является отсутствие системы молниезащиты, что в случае попадания молниевого разряда или образования электрического заряда на поверхности ЛА в полете может привести к разрушению панели, а следовательно, и крушению ЛА. Также отсутствие системы встроенного контроля не позволяет оценить степень воздействия импульса тока молнии на конструкцию и соответственно предотвратить ее преждевременное разрушение. Отсутствие интегрированной оптоволоконной системы контроля не позволяет регистрировать изменение напряженно-деформированного и температурного состояния конструкции, в том числе ударное воздействие импульсом молнии, что в случае возникновения, накопления опасных дефектов, возникновения предельных деформаций или образования электрического заряда на поверхности ЛА в полете может привести к разрушению панели.
Из уровня техники известна аэродинамическая поверхность самолета, содержащая, по крайней мере, внешнюю неметаллическую панель, силовые элементы с окантовочными профилями и встроенное во внешнюю неметаллическую панель устройство молниезащиты, выполненное в виде металлических элементов, связанных между собой с образованием единого контура и с металлической конструкцией самолета, отличающаяся тем, что металлические элементы устройства молниезащиты выполнены в виде окантовочных профилей, а окантовочные профили снабжены внешними законцовками, взаимодействующими с окружающей средой при любом положении аэродинамической поверхности (RU 2032278 C1, H05F 1/02, опубл. 27.03.1995).
Главным недостатком этого изобретения является использование большого количества габаритных металлических элементов (окантовочных профилей) в устройстве молниезащиты, что приводит к значительному увеличению массы изделия. Также, существенным недостатком является отсутствие системы мониторинга состояния конструкции, что не позволяет в режиме реального времени отслеживать техническое состояние конструкции и принимать решения о дальнейшей эксплуатации воздушного судна.
Наиболее близкой по технологической сущности и назначению к заявляемому изобретению, принятой за прототип, является панель из полимерного композиционного материала, содержащая обшивку, выполненную из слоев неметаллического материала и стрингеры, причем устройством молниезащиты является металлическая проволочная сетка, заделанная в панель со стороны верхнего слоя (US 3755713 A, B64D 45/02, опубл. 28.08.1973).
Недостатками указанного технического решения являются сложность изготовления молниезащитного слоя из металлической сетки, вызванная необходимостью введения дополнительных технологических операций, применения дорогостоящего высокотехнологического оборудования и привлечения специалистов соответствующей квалификации, что приведет к увеличению стоимости панели; повышение вероятности получения поверхности плохого качества, так как в процессе изготовления панели металлическая сетка может образовывать нахлесты и замятия. Кроме того, из-за образования коррозии на границе металл-ПКМ данная панель обладает ограниченным сроком службы, также значительным недостатком является отсутствие системы мониторинга напряженно-температурного состояния с возможностью регистрации высоковольтного молниевого разряда, определения факта возникновения и развития дефектов, а также интегральной оценки температурного распределения в панели, остаточных напряжений.
Задачей заявляемого изобретения является создание панели из полимерного композиционного материала с молниезащитным покрытием, позволяющей повысить электропроводность верхних слоев аэродинамической поверхности панели в зоне смещающихся разрядов молнии, повысить ее экономическую и техническую эффективность путем снижения веса панели, увеличить срок службы, качество изготовления наружной поверхности панели, оценки возникновения и накопления дефектов вследствие воздействия высоковольтного молниевого разряда, определения текущего напряженно-температурного состояния, принятия решения по результатам обработанных от сенсоров данных о возможности дальнейшей эксплуатации.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение стойкости панели к динамическим и тепловым нагрузкам после воздействия тока молнии в зоне смещающихся разрядов, обеспечение непрерывного мониторинга технического состояния и своевременного обнаружения и принятия решения о возможности безопасной эксплуатации панели вследствие механического и температурного воздействия разряда молнии.
Для достижения заявленного технического результата предлагается панель из полимерного композиционного материала, содержащая обшивку, состоящую из молниезащитного покрытия и слоев углеткани, чередующихся со слоями из полимерного связующего, продольные стрингеры, отличающаяся тем, что продольные стрингеры содержат трапециевидные сечения, образованные с внутренней стороны обшивки пенопластовыми вкладышами, при этом молниезащитное покрытие расположено в верхнем слое обшивки с электросопротивлением не менее 10-4 Ом·м и состоит из равнопрочной углеткани сатинового или саржевого плетения с возможным диаметром жгутов от 1 до 24K с металлическими включениями диаметром (0,07±0,03) мм на основе посеребренной меди, вплетенными в структуру ткани от 15 до 35 мас. %, пропитанной полимерным связующим, содержащим углеродные наночастицы размером не более 150 нм, причем в структуру панели интегрированы оптоволоконные сенсорные элементы на основе брэгговских решеток.
Данное изобретение поясняется фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 изображен общий вид панели из полимерного композиционного материала с молниезащитным покрытием и системой встроенного контроля.
На фиг. 2 - схема панели из полимерного композиционного материала с молниезащитным покрытием и системой встроенного контроля, где:
1 - молниезащитное покрытие;
2 - слои углеткани, пропитанные полимерным связующим, образующее обшивку;
3 - пенопластовый вкладыш;
4 - слои углеткани, пропитанные полимерным связующим, образующие отдельный стрингер;
5 - оптоволоконный сенсор.
Увеличение электросопротивления панели достигается за счет использования в молниезащитном покрытии (1) - верхнем слое обшивки (2) - углеткани сатинового или саржевого плетения с вплетенными в структуру углеткани металлическими включениями на основе посеребренной меди, пропитанными полимерным связующим, а также повышением теплостойкости, термодинамической устойчивости, сопротивляемости внешнему силовому и термическому нагружению полимерной матрицы вследствие образования плотной упаковки молекул и звеньев в полимерной системе за счет использования углеродных наночастиц, введенных в полимерное связующее, и наличия у наночастиц высоких значений поверхностной энергии.
Предпочтительно, чтобы углеродные наночастицы были размером не более 150 нм для равномерного распределения в полимерной системе верхнего проводящего слоя и образования токопроводящих мостиков, что способствует быстрому стеканию электрического заряда с поверхности панели, а не прохождению его по всему объему панели.
Использование в верхнем слое молниезащитного покрытия углеткани сатинового или саржевого плетения с возможным диаметром жгутов от 1 до 24K с вплетенными в структуру углеткани металлическими включениями диаметром (0,07±0,03) мм на основе посеребренной меди повышает электропроводность углеткани верхнего слоя, качество изготовления наружной поверхности панели, снижает вероятность возникновения внутренних напряжений в панели и, как следствие, коробления конструкции.
Металлические включения в углеткани были изготовлены из сплава меди и покрыты серебром, что позволит избежать возникновения коррозии и продлить срок службы панели, также использование в слоях сплава меди в количестве от 15 до 35 мас. % позволит снизить вес панели.
Повышение технологичности изготовления панели достигается за счет ее формования в автоклаве по единому технологическому циклу и использованию в качестве формообразующих элементов продольных стрингеров трапециевидных сечений, образованных с внутренней стороны обшивки пенопластовыми вкладышами (3) и выложенными поверх них слоями углеткани (4) однонаправленными или равнопрочными, пропитанными полимерным связующим.
Наличие оптоволоконного сенсора (5) встроенного контроля на основе брэгговских решеток позволяет обеспечить непрерывный мониторинг технического состояния панели, в том числе оценить возникновение и накопление дефектов вследствие воздействия высоковольтного молниевого разряда, определить текущее напряженно-температурное состояние, принять решение по результатам обработанных от сенсоров данных о возможности дальнейшей эксплуатации конструкции.
Данное техническое решение позволит создать высокотехнологичную молниестойкую панель из ПКМ с повышенной электропроводностью, с возможностью контроля своевременного обнаружения возникновения дефектов в материале после воздействия тока молнии и соответственно предотвращения разрушения панели и увеличения срока службы изделия.
Примеры осуществления
Пример 1
Панель изготавливают путем послойной выкладки углеткани. Молниезащитное покрытие - верхний слой обшивки - состоит из равнопрочной углеткани саржевого плетения с диаметром жгутов 24K с металлическими включениями на основе меди диаметром 0,07 мм, вплетенными в структуру ткани порядка 15 мас. %, пропитанной полимерным связующим (например, растворным эпоксидным), содержащим 0,25 мас. % наночастиц терморасширенного графита размером не более 150 нм, и имеет электросопротивление 1,5·10-4 Ом·м. На верхний слой молниезащитного покрытия укладывают 21 слой углеткани на основе углеродного однонаправленного жгута и полимерного связующего (например, расплавного эпоксидного), расположенные под углом 0°, 90°, ±45° друг к другу с укладкой между 5 и 6 слоями оптоволоконных сенсорных элементов на основе брэгговских решеток. На собранный пакет устанавливают предварительно заготовленные вкладыши трапециевидного сечения, по контуру которых затем производится выкладка еще 21 слой углеткани на основе углеродного однонаправленного жгута и полимерного связующего (например, расплавного эпоксидного), расположенных под углом 0°, 90°, ±45°. Сформированную таким образом панель с обшивкой и стрингерами затем изготавливают в едином технологическом цикле методом автоклавного формования.
Пример 2
Панель изготавливают путем послойной выкладки слоев углеткани. Молниезащитное покрытие - верхний слой обшивки - состоит из равнопрочной углеткани сатинового плетения с диаметром жгутов 6К с металлическими включениями на основе меди диаметром 0,04 мм, вплетенными в структуру ткани порядка 20 мас. %, пропитанной полимерным связующим (например, растворным эпоксидным), содержащим 0,5 мас. % углеродных наночастиц астралена, размером не более 150 нм, и имеет электросопротивление 2,5·10-4 Ом·м. На верхний слой молниезащитного покрытия укладывают 10 слоев углеткани на основе углеродного однонаправленного жгута и полимерного связующего (например, растворного эпоксидного), расположенных под углом 0°, 90° друг к другу с укладкой между 4 и 5 слоями оптоволоконных сенсорных элементов на основе брэгговских решеток. На собранный пакет устанавливают предварительно заготовленные вкладыши трапециевидного сечения, по контуру которых затем производится выкладка еще 10 слоев препрега на основе углеродного однонаправленного жгута и полимерного связующего (например, растворного эпоксидного), расположенных под углом 0°, 90°. Сформированную таким образом панель с обшивкой и стрингерами затем изготавливают в едином технологическом цикле методом автоклавного формования.
Пример 3
Панель изготавливают путем послойной выкладки углеткани. Молниезащитное покрытие - верхний слой обшивки - состоит из равнопрочной углеткани саржевого плетения с диаметром жгутов 1К с металлическими включениями на основе меди диаметром 0,1 мм, вплетенными в структуру ткани порядка 30 мас. %, пропитанной полимерным связующим (например, растворным цианэфирным), содержащим 0,5 мас. % углеродных наночастиц астралена, размером не более 150 нм, и имеет электросопротивление 1,9·10-4 Ом·м. На верхний молниезащитный слой укладывают 15 слоев углеткани саржевого плетения и полимерного связующего (например, расплавного цианэфирного), расположенных под углом 0°, 90° друг к другу с укладкой между 5 и 6 слоями оптоволоконных сенсорных элементов на основе брэгговских решеток. На собранный пакет устанавливают предварительно заготовленные вкладыши трапециевидного сечения, по контуру которых затем производится выкладка еще 15 слоев углеткани саржевого плетения и полимерного связующего (например, расплавного цианэфирного), расположенных под углом 0°, 90°. Сформированную таким образом панель с обшивкой и стрингерами затем изготавливают в едином технологическом цикле методом автоклавного формования.
Панель из полимерного композиционного материала, содержащая обшивку, состоящую из молниезащитного покрытия и слоев углеткани, чередующихся со слоями из полимерного связующего, продольные стрингеры, отличающаяся тем, что продольные стрингеры содержат трапециевидные сечения, образованные с внутренней стороны обшивки пенопластовыми вкладышами, при этом молниезащитное покрытие расположено в верхнем слое обшивки с электросопротивлением не менее 10-4 Ом·м и состоит из равнопрочной углеткани сатинового или саржевого плетения с возможным диаметром жгутов от 1 до 24 К с металлическими включениями диаметром (0,07±0,03) мм на основе посеребренной меди, вплетенными в структуру ткани от 15 до 35 мас. %, пропитанной полимерным связующим, содержащим углеродные наночастицы размером не более 150 нм, причем в структуру панели интегрированы оптоволоконные сенсорные элементы на основе брэгговских решеток.
