В продолжение темы постов «Алюминиевый голод» Советского Союза во Второй Мировой Войне и Производство в СССР авиационных материалов в период Великой Отечественной войны предлагаю вашему вниманию подборку статей посвященной сотовой панели, важной технологии в области современных конструкционных материалов, и которая для СССР периода Войны является критически важной технологией в авиапромышленности, способной частично нивелировать проблемы с нехваткой алюминия, и повысить летные данные авиатехники СССР, в том числе с деревянной конструкцией.
Человек издавна с восхищением и удивлением наблюдал за трудолюбием, рациональностью и изобретательностью пчел. Шестиугольная форма сот всегда считалась одним из чудес и загадок природы. Многим ученым, художникам, изобретателям хотелось воспроизвести эту форму, использовать ее эстетику и полезные свойства. Согласно древнегреческим мифам, первым это сделал инженер и художник Дедал, изобретатель крыльев, отец того самого Икара. Ему приписывается отливка золотых сот… Это, конечно же, легенда, но, действительно, можно сказать, что история идеи сотовых заполнителей началась с античных времен.
Первые металлические сотовые конструкции появились в конце позапрошлого века. Немецкий инженер и авиаконструктор Хуго Юнкерс первым исследовал идею применения сотового заполнителя в авиастроении. В 1915 году он запатентовал технологию использования сотового заполнителя при строительстве самолетов. В 1920-е и 1930-е годы идея сотовых заполнителей продолжала развиваться, был изобретен метод складывания сот из алюминиевого листа и запатентована сэндвич-панель (конструкция, имеющая трехслойную структуру).
Патент Хуго Юнкерса на многослойную сотовую конструкцию в авиастроении
Сотовая обшивка, самолёта МиГ-23
Содержание:
Сотовая конструкция
Сотовая конструкция, многослойная конструкция, состоящая из двух обшивок – несущих слоёв, соединённых сотовым заполнителем и окантованных по периметру элементами каркаса (рис. 1). Название «сотовый» заполнитель получил за наиболее распространённую шестигранную структуру, сходную с пчелиными сотами.
Рис. 1. Сотовая конструкция.
Сотовые конструкции применяются в основном в авиа- и ракетостроении и предназначены для восприятия и передачи распределённых нагрузок, действующих на элементы конструкции летательного аппарата. Сотовые конструкции выполняют также и специальные функции: звукоизоляционные, демпфирующие, теплозащитные, радиопрозрачные, аэродинамические (гладкость обшивки), декоративные и др. Сотовые конструкции используются для изготовления следующих элементов летательного аппарата: фюзеляжа, оперения, крыла (в том числе носовые и хвостовые части крыла, закрылки, тормозные щитки, рули, лонжероны, нервюры), обтекателей антенн, воздухозаборников, перегородок, панелей пола, стеллажей, багажных полок, кресел, декоративных панелей, дверей, лопастей несущего винта вертолётов и др.
Принципы работы сотовой конструкции: при нагружении жёсткий на сдвиг и лёгкий сотовый заполнитель воспринимает поперечный сдвиг и предохраняет тонкие несущие слои от потери устойчивости при продольном сжатии, обеспечивая в то же время их совместную работу. Несущие слои воспринимают растяжение-сжатие, сдвиг в плоскости слоёв и поперечный изгиб и предохраняют от внешнего воздействия сотовый заполнитель. Такое взаимодействие элементов сотовой конструкции обеспечивает большую жёсткость и высокую несущую способность сотовой конструкции при малой массе.
Сотовые конструкции по принципу работы относятся к слоистым (трёхслойным) конструкциям, а по конструктивному исполнению заполнителя (в виде сотовых ячеек) являются ячеистыми конструкциями. Сотовые конструкции различают (рис. 2):
- по форме в плане – параллелограммные (в том числе прямоугольные), трапециевидные, круглые;
- по толщине – постоянной толщины и переменной;
- по структуре поперечного сечения – симметричного строения и несимметричного;Рис. 3. Формы ячеек заполнителя.
- по кривизне поверхности – плоские, пологие криволинейные панели, оболочки и др.;
- по материалам несущих слоёв – металлические, неметаллические, композиционные, комбинированные;
- по форме ячеек сотового заполнителя – четырёхгранные, шестигранные, шахматные, специальные гибкие формы (рис. 3);
- по типу соединения обшивок с сотовым заполнителем – клеёные, паяные, сварные.
Рис.2. Конструкции с наполнителем
Рис.3 . Формы ячеек заполнителя.
На рис. 4 показана схема изготовления сотового заполнителя.
В 1940-е гг. тонкие фанерные обшивки крыла и фюзеляжа со сплошным и сотовым заполнением были использованы в конструкции английского самолёта Mosquito компании De Havilland (рис. 5). В 1944 г., после появления клея Redux (композиция, состоящая из феноло-формальдегидной смолы и порошка поливинилформаля), были изготовлены первые цельнометаллические клеёные слоистые панели с сотовым (ячеистым).
Рис.5 . Трёхслойные панели крыла самолёта Mosquito.
В начале 1950-х гг. сотовые конструкции из лёгких сплавов начали использоваться в самолётах американских фирм. Фирма Avro Aircraft (Великобритания) построила экспериментальный самолёт Avro-720, в котором масса сотовой конструкции составляла около 85 % массы всей конструкции. С конца 1950-х гг. сотовые конструкции начали применяться в конструкциях лопастей несущих винтов вертолётов, в дальнейшем – в других элементах летательных аппаратов.
Листья, сэндвичи и сотовые конструкции
Пластины, панели и оболочки широко используются и природой, и техникой, но, чем они протяженнее и тоньше, тем меньше их жесткость на изгиб и критические нагрузки потери устойчивости. В принципе все, что увеличивает жесткость стержня или пластины на изгиб, увеличивает и ее сопротивление выпучиванию при продольном сжатии. Один из методов повышения устойчивости состоит в установке панели или стержня с помощью тросов и растяжек (метод, никогда не используемый в растениях). Другой и, возможно, более предпочтительный метод состоит в устройстве ребер жесткости, гофрировании для использовании ячеистых конструкций.
Древесина имеет ячеистое строение, так же как и большинство других растительных тканей, среди которых следует обратить внимание на стенки стеблей травы и бамбука. Кроме того, в борьбе растения за существование важную роль играет конструктивная эффективность листьев, которые должны использовать для фотосинтеза как можно большую площадь своей поверхности при минимальных метаболических затратах. Лист — весьма важная конструкция типа панели. Чтобы увеличить свою жесткость при изгибе, листья используют большинство из известных конструкционных решений. Почти все листья имеют развитую систему ребер жесткости[107], в то время как пленки между ними представляют собой ячеистую структуру, увеличивающую жесткость; в некоторых случаях они, кроме того, и гофрированы. Вдобавок к этому жесткости листа как целого способствует осмотическое давление в нем сока.
В инженерных конструкциях жесткость панелей и оболочек увеличивается с помощью стрингеров и шпангоутов, которые приклеиваются, приклепываются или привариваются к обшивке, хотя это и не всегда самый простой или самый дешевый путь. Другой путь решения проблемы состоит в изготовлении оболочки из двух разнесенных слоев, пространство между которыми содержит возможно более легкий наполнитель. Конструкции такого типа называют «сэндвич».
Панели типа сэндвича впервые были использованы известным конструктором Эдвардом Бишопом, главным конструктором фирмы Хэвиленд. В 1930 г. он применил их в фюзеляже теперь уже забытого самолета «Комета»[108]. Возможно, более известно использование их в самолете «Москито», преемнике «Кометы». В обоих этих самолетах в качестве наполнителя использовалась легкая бальсовая древесина, а внешние слои сэндвича делались из прочной и тяжелой березовой фанеры, которая приклеивалась к наполнителю.
«Москито» был одним из наиболее удачных самолетов, но наполнитель из бальсы легко впитывал воду и гнил; кроме того, поставки этой довольно мягкой и хрупкой древесины тропического происхождения были ограничены, а ее качество не отличалось постоянством. Случилось, однако, так, что изыскание материалов для наполнителей панелей и оболочек типа сэндвича было стимулировано главным образом не этими обстоятельствами, а внедрением самолетных локаторов. Вращающуюся, или сканирующую, антенну локатора нужно было поместить внутри защитного куполообразного обтекателя. Естественно, что такой обтекатель должен был быть прозрачен для радиоволн высокой частоты, его следовало делать из какой-либо пластмассы, например из стеклопластика. Однако оказалось, что прозрачность оболочки обтекателя значительно увеличивается — по крайней мере теоретически — благодаря использованию материала типа сэндвича, толщина которого строго определяется длиной волны, на которой работает локатор, точно так же, как толщина поверхностной пленки в современной «просветленной» оптике определяется длиной волны видимого света.
Но сырая бальса, как и любая сырая древесина, практически непрозрачна для радиоволн, поэтому требовалось создать более водостойкие и легкие материалы. Такие материалы были получены путем «вспенивания» искусственных смол. Сэндвич с таким наполнителем выглядит так, как показано на рис. 149. Было получено довольно много «вспененных» смол различных типов, которые использовались не только в качестве наполнителя в трехслойных локаторных обтекателях, но также и во всех других трехслойных конструкциях. Некоторые из них применяются еще и сегодня при изготовлении лодок, поскольку стенки их ячеек практически водонепроницаемы.
Однако для использования в качестве наполнителя панелей типа сэндвича, работающих в условиях, когда требуется наивысшая эффективность, вспененные смолы довольно тяжелы и обладают меньшей жесткостью, чем хотелось бы. Таким образом, с изобретением пеноматериалов голод на легкие наполнители не был ликвидирован.
Однажды, где-то в конце 1943 г., мне позвонил в Фарнборо один владелец цирка, некто Джордж Мэй, и попросил о встрече. После нескольких историй в духе Джеральда Даррелла о том, как трудно содержать обезьян в передвижном цирке, он извлек из кармана нечто похожее на помесь книги и гармошки. Когда Мэй потянул за концы своего изобретения, оно раскрылось подобно бумажной гирлянде, подвешиваемой на рождество. На самом деле это было какое-то подобие бумажных сот, очень легких, но совершенно удивительных по своей прочности и жесткости. Не думаю ли я, что такая штука может быть использована в конструкции самолета? Препятствие, как честно признался Джордж Мэй, состояло в том, что, поскольку эти соты были сделаны всего лишь из оберточной бумаги и обычного клея, они очень боялись воды и тут же расползались, стоило их только слегка намочить.
Это был тот редкий случай, когда авиационные инженеры испытывали серьезное искушение расцеловать владельца цирка всем коллективом. Однако, преодолев первый порыв, мы сказали Мэю, как защитить бумажные соты от воды с помощью синтетических смол.
Именно так поступили и мы (рис. 150). Бумагу, из которой изготовлялись соты, предварительно пропитывали раствором фенольной смолы. Сделанные из нее и расправленные соты помещались в печь для отверждения смолы. Бумага после этого делалась не только водостойкой, но и более прочной и жесткой. Материал получился очень удачный и нашел широкое применение в военной технике. Хотя теперь он почти не используется в самолетостроении, зато около половины дверей в мире имеют его между слоями фанеры или пластмассы. Особенное распространение нашел этот способ в США, велико и мировое производство бумажных сот.
Рис. 150. Бумажные соты. а — на пропитанную мономером бумагу наносятся параллельные полосы клея; б — листы склеиваются в толстый блок; полосы клея чередуются; в — блок растягивается в сотовую конструкцию, после чего мономер подвергается полимеризации; г — плита из сот вклеивается между листами фанеры, пластмассы или металла, образуя структуру типа сэндвича.
Хотя инженеры начали применять конструкции типа сэндвича и наполнители из вспененных смол и бумажных сот сравнительно недавно, они с незапамятных времен используются в природе (рис. 151). Примером тому служат так называемые «плоские» кости нашего черепа, подвергающиеся действию изгибающих и сжимающих нагрузок.
Рис. 151. Плоская кость.
Книга: «Новое поколение сотовых заполнителей для авиационно-космической техники»
Важная мелочь как клей для склеивания сот
Клеи в авиационной промышленности
Выявившееся около 25 лет назад стремление создавать авиационные конструкции с малым весом увенчалось широким применением тонких металлических обшивок и сотовых конструкций, что потребовало нового подхода к решению задач соединения и крепления. В связи с этим в Англии был разработан первый конструкционный клей «Ридакс» для склеивания несущих конструкций в авиации. Вскоре первый торговый авиационный клей был выпущен и в США. Он представлял собой смесь фенольной смолы с неопреновым каучуком (получен в начале 30-х в США) . Клей подобного рода до сих пор применяют в современных реактивных самолетах.
Клеевые соединения стали не только хорошо передавать нагрузки от одной части конструкции другой, но и резко снизили концентрацию напряжений в заклепках и вокруг них, до этого часто приводившую к образованию усталостных трещин. В итоге существенно возрос срок службы изделий. Так выяснилась способность клеевого соединения к более равномерному распределению напряжений. Если обратиться к истории американской авиации, то выяснится, что в последней не зарегистрировано случаев разрушения конструкций из-за клеевых соединений, чего нельзя сказать о клепаных металлических конструкциях.
Клеи не только повышают прочность и долговечность соединений, но и удешевляют последние по сравнению с заклепками. Более того, замена заклепок клеем позволяет снизить толщину алюминиевой обшивки от 1,3 до 0,5 мм. В итоге достигается дальнейшее снижение себестоимости и, разумеется, большой выигрыш в весе.
В проектируемых сверхзвуковых военно-транспортных и крупных грузовых самолетах предполагается использовать огромное количество клеев.
