Пионерская ниша: инновации Van Horn Aviation в композитной авиации

Как много компаний, производящих композитные детали и структуры, Van Horn Aviation (VHA, Темпе, AZ, США) пришла к материалу с малым опытом и знаниями, но с внутренним желанием помочь клиентам решать проблемы, готовностью учиться и желанием двигать компанию вперед. Иронично, для Van Horn Aviation это началось с пропеллера — или, точнее, лопасти ротора.

Джим Ван Хорн основал компанию в Темпе в 2000 году, и его бизнес-план был прост: проектировать и делать заменительные металлические лопасти ротора (хвостовой и основной) для вертолетов, которые все еще в эксплуатации, но больше не производятся. Это казалось хорошей идеей. Bell's (Форт-Уорт, TX, США) UH-1 Huey, например, один из самых продаваемых вертолетов в мире, больше не производился, но все еще было тысячи единиц в эксплуатации. VHA посмотрела на хвостовую лопасть ротора для этого самолета и увидела lukrative возможность не только спроектировать замену, но лучшую замену. Однако, чем больше времени VHA тратила на дизайн лопасти ротора, тем более явным становилось, что по-настоящему оптимальный дизайн лопасти требовал использования композитных материалов.

Была только одна проблема, говорит президент VHA Дин Розенлоф, присоединившийся к компании вскоре после открытия дверей 18 лет назад: «У нас был нулевой опыт в композитах. Чтобы контролировать нашу судьбу, мы знали, что лучше привести эту способность in-house. Мы были достаточно ответственны за дизайн; мы должны быть достаточно ответственны, чтобы делать его».

Как дизайн-бюро трансформируется в композитного производителя без композитного производственного фона? «Всё было о поставке материалов и вендорах», — отмечает Розенлоф. Действительно, VHA зависела от нескольких известных поставщиков композитных материалов, чтобы помочь компании запустить свою композитную экспертизу: Toray Composite Materials America Inc. (Такома, WA, США), Evonik Foams Inc. (Теодор, AL, США) и 3M (Сент-Пол, MN, США) клеи. В конечном счете, говорит Розенлоф, VHA просто должна была разобраться в композитах сама и постепенно строить свою собственную композитную экспертизу.

VHA, отмечает Розенлоф, потратила более десятилетия на совершенствование своих композитных способностей. В процессе она построила репутацию по проектированию и изготовлению высококачественных, высокопроизводительных, высокоэффективных лопастей ротора, превышающих спецификации ОЕМ. В результате, VHA является сертифицированным поставщиком Bell заменяющих лопастей — благословение производителя вертолетов, которое тщательно охраняется и высоко ценится. Сегодня VHA имеет три установленных продукта: основную лопасть ротора для Bell 206B3 Jet Ranger, хвостовую лопасть ротора для Bell 206B3/OH-58 Jet Ranger, и наследие хвостовую лопасть ротора UH-1 Huey.

На производственном полу

После обзора бизнес-стратегии и позиции VHA, Розенлоф ведет CW на производственный пол компании, где работает большинство из 28 сотрудников фирмы. По пути он указывает на некоторых дизайн-инженеров, которые представляют «секретный соус» VHA. Он отмечает, что VHA стала особенно умелой в оптимизации множества дизайнерских параметров, делающих ее продукты заметными. Эти включают коэффициент подъемного и лобового сопротивления, тангажный момент и вибрацию.

Вертолетные пилоты, объясняет Розенлоф, высокочувствительны к «ощущению», которое лопасть ротора передает операции и полету вертолета, так что VHA тратит много времени на полетные тесты своих дизайнов для верификации производительности.

«Вращающиеся лопасти — это поле напряжения — центробежное», — отмечает он. «И композит ведет себя иначе в этом поле, чем металлическая лопасть». Фактически, вертолетные лопасти ротора — одна из немногих композитных структур в мире, которые теряют преимущество по мере потери веса. Розенлоф называет это «весовым богеем», что означает, что лопасть ротора, которая не достаточно тяжела, ведет себя иначе, чем полностью металлическая альтернатива. Из-за этого, говорит Розенлоф, все лопасти VHA перепроектированы для добавления веса обратно в систему.

Помимо этого, он говорит: «Люди в авиации ненавидят изменения», означая, что переключение с металлической лопасти ротора на композитную лопасть ротора должно идеально сохранять производительные характеристики, к которым привык пилот. Это деликатный баланс, но тот, которым VHA управляла умело. Главная линия, однако, — безопасность, и в этом отношении компания преуспела. «Отказы во время тестирования и разработки помогают нам перепроектировать лучшие лопасти», — говорит Розенлоф. «Мы хороши в этом. Когда мы выходим на рынок, мы должны сначала не навредить самолету и экипажу, а потом смотреть на улучшения производительности. Это наша работа».

Тур оставляет инженеров позади и выходит в зону производства лопастей ротора. Как во многих композитных мастерских, производство в VHA начинается с резки слоев, которое делается на 3-метровой автоматизированной плоской резальной системе, поставленной Eastman Machine (Баффало, NY, США). Большинство препрега, который использует VHA — это унонаправленная версия Torayca 2510, основанная на углеродном волокне Toray T700G 12K tow. На внешнем слое своих лопастей ротора VHA использует версию plain-weave Torayca 2510, основанную на углеродном волокне Toray T700S 12K tow. Розенлоф говорит, что VHA имела хороший опыт с препрегом 2510, который может обрабатываться в или вне автоклава, поставляется Toray со склада как товарный продукт и легко доступен от производителя волокна.

Слои, по мере их выхода со стола, комплектуются и готовятся к укладке, которая является следующим шагом, выполняемым в смежной чистой комнате. Все лопасти ротора VHA имеют сэндвич-конструкцию, состоящую из пенного ядра Evonik Rohacell, окруженного унонаправленными слоями Torayca. VHA изначально обрабатывала ядра in-house, но в конечном счете передала это на аутсорсинг Evonik, которая делает работу на своем объекте в Мобиль, AL, США.

Укладка делается вручную. Основные лопасти ротора укладываются в большой композитной форме в центре комнаты. Хвостовые лопасти ротора размещаются на стоячих верстаках. Размещение слоев направляется метками на форме. Для областей, где углеродное волокно в прямом контакте с пеной, таких как удвоители и спарсы, есть углубленные области, предварительно вырезанные в пене для направления размещения. VHA использует каулы на всех своих лопастях ротора, включая в некоторых областях Airpad Airtech (Хантингтон-Бич, CA, США) неотвержденную, несиликоновую резину, которая может быть сформирована в листы кауля под давлением и гибкие мандрели.

Каждая лопасть ротора, которую производит VHA, включает титановый фикстуру для крепления лопасти ротора к мачте лопасти ротора, и эта фикстура является критической частью каждой укладки. Изготовленная in-house VHA, фикстуры требуют дополнительных накладок слоев вокруг них для поддержания целостности лопасти ротора.

Завершенные укладки лопастей ротора затем переносятся к одному из двух автоклавов VHA, каждый из которых измеряет примерно 7,3 м в длину. Эпоксидный препрег Torayca, который использует VHA, требует стандартной отвердки 121 °C.

После отвердки лопасти ротора переносятся в машиностроительный цех, где они обрезаются до финальных размеров. Также в машиностроительном цехе VHA делает почти все металлические детали, используемые в лопастях ротора, включая титановые фикстуры и никелевые абразивные полосы для переднего края лопасти ротора. VHA эксплуатирует два вертикальных ЧПУ, два горизонтальных ЧПУ и водорез OMAX (Кент, WA, США). Три ЧПУ поставляются Haas Automation Inc. (Окнард, CA, США); один поставляется DMG Mori Seiki (Нагоя, Япония).

Наконец, VHA проводит строгие тесты лопастей ротора, которые она делает, и имеет множество приспособлений и испытательных машин, предназначенных для оценки всего от баланса лопасти до прочности и жесткости свойств. VHA также имеет свой собственный вертолет Bell 206B, который она использует для оценки динамических свойств лопасти ротора, включая «ощущение», которое так важно для пилотов.

Когда CW спросила о неразрушающем контроле (НДТ), однако, Розенлоф отмечает, что VHA не делает никакого. «У нас процессозависимое качество», — говорит он. «Мы мониторим температуру, давление и время, и пока мы в спецификации с теми, мы делаем хорошие лопасти ротора». Розенлоф также указывает, что большая часть процесса и контроля качества VHA фокусируется на допусках верхней поверхности лопасти ротора, потому что это «функциональная» сторона лопасти ротора и наиболее критична для производительности лопасти ротора.

Следующие шаги

Работа VHA по лопастям ротора не закончена. Компания уже разрабатывает новые продукты, включая хвостовые и основные лопасти ротора для двухдвигательного, двухлопастного Bell 212, и двухдвигательного, четырехлопастного, Huey-класса Bell 412. Розенлоф добавляет, что VHA работает над технологиями ко-отвердки, которые могли бы построить более высокие производственные эффективности.

По мере того как наш тур завершается, Розенлоф отмечает, что хотя VHA является относительно небольшой операцией (ее управленческий персонал и рабочая сила в сумме 30), компания создала нишу для себя, в отличие от многих других, и сделала это, внедряя композитную производственную способность смело и уверенно. Эта ниша, такая надежная, как она для VHA, не была построена просто и, в этом смысле, заслужена. «Мы», — шутят он, — «18-летний overnight успех».