Что делать с композитами

Широкое использование в конструкции пассажирских самолетов нового поколения композитных материалов, которые прежде применялись только на истребителях и спортивно-пилотажных машинах, сулит значительное сокращение веса и соответственно принципиальное улучшение экономических характеристик. Вместе с тем предстоит решить и ряд серьезных вопросов, связанных прежде всего с ремонтом новых материалов.

Как отметил один американский специалист в области композитов, широкое применение этих материалов на больших пассажирских лайнерах неминуемо приведет к проблемам, для которых пока нет готовых решений, поскольку никто еще с этими проблемами не сталкивался.
Тем не менее один класс проблем известен уже сейчас — это возможные повреждения во время наземного обслуживания. Самолеты получают вмятины и царапины от неосторожных ударов трапами, погрузчиками и тягачами. В загруженных аэропортах такие события происходят все чаще. Анализ состояния 43 самолетов в Европе показал, что в течение пяти лет с ними случилось 20 инцидентов, связанных с повреждением фюзеляжа, которые происходили главным образом при погрузке или выгрузке пассажиров и грузов. Аналогичная картина наблюдается и в России. По данным автоматизированной системы обеспечения безопасности полетов ВС гражданской авиации РФ, в течение 2004- 2006 гг. имеет место устойчивая тенденция роста количества повреждений ВС на земле, причем происходят они в основном в аэропортах московского авиационного узла (55%), Санкт-Петербурга (6%) и за рубежом (11%). Конечно, нужно повышать квалификацию и ответственность персонала наземных служб, можно оснащать транспортные средства на перроне системами, подобными автомобильным датчикам парковки, но "композитные" самолеты тоже должны быть устойчивы к повреждениям. Кроме того, необходимы методы диагностики и ремонта композитов.

Конструкция и диагностика
Технология ремонта повреждений металлических элементов конструкции самолета отработана в течение десятилетий и вопросов не вызывает. Однако, как видно из графика, в самолетах все шире используются композиты. Больше всего неметаллических материалов будет применено в Boeing 787, где крыло, хвостовое оперение и фюзеляж изготавливаются в основном из композитов. Поскольку повреждениям на земле в наибольшей степени подвержена прежде всего обшивка фюзеляжа, вопросы диагностики и ремонта композитных конструкций выходят на первый план.
По словам представителей компании Boeing, для решения этих вопросов сформулированы новые требования по проектированию и сертификации частей из композитов. В требования для получения сертификата закладывается возможность визуальной диагностики конструкции. Поэтому в ходе проектирования предусматриваются значительные резервы по безопасности, которые позволят убедить FAA в том, что признаки повреждения станут заметны еще до того, как его масштабы выйдут за пределы допустимого.
Повреждения металлических структур обычно проявляются как вмятины, гофры или трещины, поэтому их легко обнаружить. Повреждения композитной структуры представляют собой разрушенные волокна или межслоевые расслоения. Следы от точечных ударов обычно заметны всегда, но высокоэнергичное воздействие с низкой скоростью на площади порядка 1 м2 и выше (допустим, от удара крупного грузовика) может никак внешне не проявиться, хотя и привести к разрушению внутренней структуры композита. Однако то же самое, как говорят в компании Boeing, возможно и с металлической конструкцией, поэтому решение заключается в проектировании устойчивых к повреждениям частей, способных выдерживать необходимую нагрузку даже при наличии таких необнаруженных повреждений. При этом критерии допустимых повреждений значительно строже, чем для "металлических" самолетов.
Кроме того, Boeing укрепляет те зоны фюзеляжа, которые потенциально подвержены повреждениям. Так, толщина обшивки вокруг пассажирских дверей Boeing 787 достигает почти 1,8 см — такая конструкция должна противостоять типичным для эксплуатации самолетов повреждениям.
На сегодня самый простой метод диагностики композитных элементов — акустический, при котором инженер постукивает по поверхности и определяет изменение в звуке. Поврежденные или расслоившиеся участки издают более глухой звук, если, конечно, это будет слышно на шумном перроне аэропорта. Для повышения надежности результатов требуются сложные и дорогостоящие методы, причем приборы для применения в условиях линейного обслуживания должны быть портативными. Пока изучаются и сравниваются разные технологии неразрушающего контроля композитов, однако Boeing обещает представить портативный диагностический прибор, пригодный для использования на перроне, одновременно с началом коммерческой эксплуатации модели 787.

Время и деньги
Очевидно, что ремонтировать композиты "в полевых условиях" гораздо труднее, чем металлические конструкции, особенно в ситуации дефицита времени, когда нужно срочно восстановить летную годность машины для дальнейшей коммерческой эксплуатации. При работе с металлом можно просто приклепать накладку, а вот для восстановления композитов чаще всего требуется высокая температура. Тем не менее, как утверждают инженеры Boeing, композитные конструкции 787-го разработаны с учетом возможности применения тех же методов ремонта, что и для их алюминиевых аналогов: можно сверлить отверстия для болтов и закреплять повреждения соединительными деталями. Вероятно, большинство авиакомпаний будут использовать такую возможность, поскольку она позволяет очень быстро вернуть самолет в строй.
Подобный способ применен уже несколько раз на практике для ремонта повреждений хвостового оперения Boeing 777. В одном случае устройство для обслуживания двигателя при буксировке врезалось в переднюю кромку стабилизатора Boeing 777, перебив дополнительный лонжерон и сильно ударив передний лонжерон и цельнокомпозитный кессон. Повреждения были устранены с помощью титановых накладок на болтах — самолет так и летает. В другом инциденте кусок аэродромного покрытия, подброшенный потоком газов от двигателя, ударил по нижней поверхности стабилизатора, повредив не только обшивку, но и силовой элемент за ней. Этот самолет также продолжает полеты с привинченными накладками. Оба эти ремонта отнесены к категории постоянных, как если бы проводились на металлической конструкции.
В качестве дополнительного варианта Boeing разработал комплект для быстрого ремонта композитов, предназначенный для повреждений небольшой площади. В комплект входит относительно тонкий препрег (угольная ткань, пропитанная смолой), который можно наложить на поврежденный участок и приклеить в течение часа. Этот комплект обеспечивает временный ремонт, позволяющий самолету летать до следующей тяжелой формы обслуживания, которая может состояться через три года.

Перспективные проблемы
Высокая стоимость композитов и трудоемкость их ремонта пока входят в число основных недостатков этих перспективных материалов. Практика показывает, что детали из композитных материалов обычно стоят в несколько раз дороже, чем из алюминиевых сплавов. Из-за этого авиакомпаниям придется увеличить расходы на запасные части. Более того, поскольку ремонт композитных деталей требует большего времени, требуется увеличение объема склада. Поэтому как Boeing, так и Airbus ведут программы по снижению стоимости композитов, а также создают систему распределения запчастей по ключевым регионам мира с целью снижения расходов на логистику. Тем не менее, с точки зрения авиакомпаний, эти вопросы требуют пристального внимания.
Другая проблема возникает из-за того, что Boeing и Airbus, выступая в роли системных интеграторов, заказывают субподрядчикам производство практически всех композитных элементов для своих самолетов. Поэтому, несмотря на то что исходную конструкцию определяют Airbus или Boeing, поставщики композитов могут сами решать, какие использовать материалы, исходя из конкретных требований для данной детали. А поскольку для процесса разработки нужно много денег, делиться полученными результатами никто не намерен. В итоге получается, что деталь каждого артикула может быть сделана из собственного материала, который потребуется и для ремонта, что превращает ремонтный склад в "бутик" уникальных ремкомплектов. Хуже того, пропитанные смолой тканевые препреги можно хранить в холодильнике не более трех месяцев, после чего их дальнейшее использование невозможно; это делает такой подход расточительным и дорогостоящим.
Так что стандартизация композитных материалов тоже входит в число насущных проблем. По словам инженеров Boeing, они постарались наложить на поставщиков композитов достаточно жесткие требования, и практически все композитные элементы, за исключением жаропрочных, изготавливаются из углеродного волокна BMS8276 по единой спецификации, что даст возможность использовать один материал для ремонта.
Важнейшим, по мнению многих специалистов, остается вопрос об изменении характеристик композитных материалов с течением времени. Большой опыт по композитным материалам накоплен у военных, в последнее время композиты распространяются и в авиации общего назначения. Однако условия эксплуатации истребителей и спортивных машин радикально отличаются от многочасовых ежедневных полетов, которые выполняют коммерческие самолеты. Сейчас вопрос старения композитных материалов, ключевой для перспективных самолетов, подвергается интенсивному изучению. Впрочем, как несколько цинично отмечает один из аналитиков, в первую очередь эта проблема должна волновать третьи страны, куда "композитные" самолеты будут попадать через 10-15 лет своей эксплуатации.