Проект STUNNING достиг 8,5-метровой термопластиковой обшивки фюзеляжа, продвигая устойчивый авиадизайн

В рамках инициативы ЕС Clean Sky 2 аэрокосмическая отрасль ищет путь к устойчивости, особенно через переход от алюминия к углеродно-волокнистым композитам для улучшения авиационных структур и резкого снижения выбросов. Демонстратор многофункционального фюзеляжа (MFFD) Clean Sky 2 — одна из таких программ, начатая в 2017 г., состоящая из десятков индивидуальных проектов и пакетов работ (подробнее см. «Доказательство сварки LM PAEK для MFFD»). В частности, проект STUNNING (SmarT mUlti-fuNctionNal and INtegrated thermoplastic fuselaGe), разрабатывающий нижний участок фюзеляжа MFFD, недавно произвел 8,5-метровую обшивку фюзеляжа из термопластов через автоматизированную укладку волокна (AFP) (см. видео ниже).

STUNNING возглавляет GKN Fokker (Папендрехт, Нидерланды) с ключевыми партнерами Diehl Aviation (Лаупхайм, Германия), Netherlands Aerospace Centre (NLR, Амстердам, Нидерланды) и Delft University of Technology (TU Delft, Дельфт, Нидерланды). Проект нацелен на дальнейшую зрелость автоматизированных процессов сборки, термопластикового производства и сварки, интегрированного дизайна и производства и передовых архитектур электрических систем.

«Пожалуй, половина европейской аэрокосмической отрасли задействована в MFFD, так как мы глубоко исследуем различные производственные техники с устойчивостью в фокусе», — описывает Йоахим де Кройк, старший инженер НИОКР по композитам в NLR. «Исследуя варианты производства и материалов, мы считаем, что лучший путь к более устойчивой структуре фюзеляжа — использовать новое поколение термопластиковых материалов. Видим, что такой материал может сменить производственный подход и дизайнерские техники, давая гораздо более легкие самолеты, значит меньше сжигания топлива и ниже выбросы CO₂ и NOₓ, сохраняя прочность и безопасность традиционных алюминиевых самолетов».

Ряд современных самолетов, таких как Airbus A350 XWB и Boeing 787 Dreamliner, уже используют термореактивные композиты в деталях, кронштейнах и даже обшивке фюзеляжа, отмечает Clean Sky. В проекте STUNNING эксперты GKN Fokker и NLR были поручены дизайном для производства, обеспечивающим высокие темпы производства крупных структурных деталей для авиации.

«Одним из реальных улучшений термопластов то, что в производстве и сборке, в отличие от термореактивных, этот материал можно нагревать и перегревать многократно для обеспечения однородности и сцепления», — объясняет де Кройк. «В STUNNING одной из целей было показать, как разные процессы можно комбинировать для построения структурных и неструктурных компонентов для полной интеграции. Для этого мы построили весь нижний полуфюзеляж, чтобы получить инсайты не только в производстве обшивки, но и подструктур вроде стринеров под кожей, балок пола, а также элементов кабины, систем и даже грузовых дверей».

С этими амбициозными целями сотрудники протестировали свои производственные техники для изготовления множества деталей и структур для интеграции в фюзеляж. Для NLR это значило проверку знаний и производственных способностей на крупнейшей детали — низе фюзеляжа. С помощью своей современной AFP-машины NLR якобы достигла цели, построив нижнюю половину обшивки фюзеляжа — единый кусок 8,5 м длины на 4 м диаметра — якобы крупнейшая известная единая термопластиковая деталь когда-либо сделанная.

Это не малая задача, говорит Clean Sky. Пока термореактивные композиты все чаще используются в авиастроении, крупные термопластиковые детали относительно новы для области, что может быть немного дороже на первый взгляд. Но по словам де Кройка, это только на первый взгляд, так как выгоды значительно перевешивают цену.

«Поскольку это новее и из-за свойств, термопласты немного дороже термореактивных. Но есть ряд дифференцирующих факторов, делающих новый материал стоящим. Например, термопласты немного легче термореактивных, потому что это более вязкая матрица с лучшей устойчивостью к ударным повреждениям, что важно», — объясняет де Кройк. «Помимо этого — способ использования материала в производстве. Для соединения деталей термопластов достаточно нагреть материал для сварки. Это значит, что мы избавляемся от сотен тысяч заклепок, держащих обычные самолеты вместе, что несомненно приведет к более драматичной экономии веса».

Другой темы, порученной NLR, — как инспектировать, обслуживать и ремонтировать самолеты из термопластов. Сейчас применение крупных композитных деталей в самолетах ограничено, значит меньше данных и практики в инспекции, обслуживании и ремонте.

«Сейчас мы разрабатываем технологии для ряда неразрушающих методов инспекции (NDI) для проверки самолетов, таких как термография и схеография, но технология еще созревает. Сейчас используем ультразвуковую инспекцию для проверки дефектов, но это может быть трудоемким процессом», — предполагает де Кройк. «Однако текущая инспекция и обслуживание обычных самолетов тоже медленные. Из-за природы термопластов, с возможностью перегрева и сварки, видим, что обслуживание можно делать гораздо быстрее. Представьте, сколько времени сэкономится, не проверяя вручную каждую заклепку по всей структуре».

Из-за размера финальной обшивки произвели два сегмента. С завершением укладки второго 90-градусного сегмента нижней обшивки фюзеляжа, следующий шаг — консолидация и соединение двух 90-градусных сегментов в 180-градусный сегмент. Для этого, как сообщается, требуется очень большой автоклав, способный вместить и нагреть крупногабаритные детали для сварки. Так как такого автоклава в Нидерландах нет, две половины отправлены в Германию для интеграции. Процесс планировался на конец июня.

«Предполагая, что сможем продвинуться со соединением этих двух кусков фюзеляжа в июне, ожидаем, что консолидированная обшивка вернется в NLR к лету для запуска детального NDI процесса для тестирования и верификации успеха и тщательного установления качества полной нижней обшивки фюзеляжа», — иллюстрирует де Кройк. «После этого отправим к партнерам в GKN Fokker, где различные детали, разработанные в STUNNING, могут быть полностью собраны и интегрированы».

Для полного обзора MFFD см. «Движение вперед по Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD)». Для индукционной сварки см. вебинар GKN Fokker.

Проект получил финансирование от Clean Sky 2 Joint Undertaking (JU) по гранту № 945583. JU получает поддержку от программы ЕС Horizon 2020 по исследованиям и инновациям и членов Clean Sky 2 JU, кроме Союза.