Разработка трехслойных сотовых панелей пола пассажирских самолетов из полимерных композитов

1. Состояние вопроса

Одной из важнейших составных частей современного пассажирского самолета является пол пассажирской кабины. Помимо обеспечения комфортного и безопасного полета, конструкция пола является границей, отделяющей пассажирский салон от всего жизненно важного оборудования воздушного судна, которое находится ниже уровня пола и скрыто от глаз пассажира. Конструктивно пол состоит из трехслойных сотовых композитных панелей, установленных и закрепленных на металлическом каркасе, опирающемся на силовой набор фюзеляжа самолета. Классическая схема построения современного пассажирского самолета предусматривает установку под панелями пола большого количества электропроводов – так называемых плоских трасс, расстояние от которых до нижней кромки панели, как правило, не превышает 20 мм и составляет зачастую от 10 до 15 мм (рис. 1). С учетом вышеизложенного к панелям пола предъявляются достаточно жесткие требования. Панели должны быть легкими, выдерживать достаточно высокие нагрузки с минимально допустимым прогибом, долговечными (с ресурсом не менее 10 тыс. летных часов), соответствовать нормам летной годности по горючести, технологичными при изготовлении и установке на борт самолета, иметь приемлемую стоимость.

История продвижения композитных панелей пола в современные самолеты подробно рассмотрена в ранее проведенных исследованиях [1, 2, 3]. В отличие от воздушных судов марок «Ил» и «Як» на самолетах «Туполев» (Ту-154, Ту-204-100, Ту-204-300, Ту-214) подобные панели начали устанавливать начиная с 2000 г. На начальном этапе это были заготовки из однонаправленных высокомодульных эпоксидных стеклопрепрегов и мета-арамидных сот, изготовляемые и поставляемые в готовом виде фирмой Hexcel (Великобритания). Начиная с 2005 г. производство панелей пола было организовано на площадях ЦАТИ (г. Жуковский) из сот и клеевых стеклопрепрегов, поставляемых также из Великобритании. Это был первый шаг по частичному импортозамещению. Всего за 20 лет работы в этом направлении было изготовлено и поставлено для пассажирского самолета Ту-154 40 комплектов полов, для Ту-204-300 – 8 комплектов, а для Ту-214 была обеспечена вся программа выпуска. Ни одной рекламации от эксплуатирующих данные типы самолетов авиакомпаний за это время не поступало.

В условиях фактически полного запрета западных стран на покупку материалов и полуфабрикатов российскими компаниями сотрудничество с фирмой Hexcel потеряло всякий смысл. Что касается сотового заполнителя, то ему быстро была найдена замена в виде сот на основе мета-арамидной бумаги, производимых фирмой Aramicore (Китай). Но адекватной замены стеклопрепрегам фирмы Hexcel ни на российском, ни на китайском рынках найти не удалось. Поэтому в сотрудничестве с российскими компаниями – «Препрег-СКМ» и «Техполиком», как наиболее продвинутыми в области разработки и изготовления препрегов, была подготовлена и реализована программа по доведению производимых ими препрегов до уровня мировых производителей панелей пола.

Была также решена задача оптимизации состава изготавливаемых из этих препрегов обшивок панелей в целях обеспечения их заданных прочностных и весовых характеристик в различных зонах пассажирской кабины самолета – под креслами, входа-выхода и прохода – в зависимости от уровня воспринимаемой панелями нагрузки на протяжении их срока службы.

Задачи оптимизации толщины сотовых панелей [4] не стояло, поскольку из конструкторских соображений их толщина была лимитированной и составляла 10,16±0,25 мм согласно ТУ 30.30.50-007-70027762-2020.

В данной статье приводятся и обсуждаются результаты проведенной работы.

2. Разработка препрегов

Зоны ответственности трех компаний, принимавших участие в данной работе, были распределены следующим образом:

• АО «Препрег-СКМ» и ООО НПФ «Техполиком» – производство препрегов;
• ООО «ЦАТИ» – разработка и производство сотовых панелей пола, получивших в дальнейшем общее название «ПАНПОЛ», а также проведение их физико-механических испытаний и испытаний на горючесть. При этом был использован среди прочего опыт, накопленный при разработке и изготовлении элементов интерьера пассажирских самолетов из трехслойных панелей [5, 6].

По результатам работы ЦАТИ производители препрегов корректировали рецептуру связующих композитных обшивок трехслойных панелей. В качестве их заполнителя использовали соты из мета-арамидной бумаги фирмы Aramicore, поставляемые в виде листов с размером ячейки 3,2 мм, габаритными размерами 2440´1220 мм и объемной массой около 80 кг/м³ (для панелей пола в зоне под креслами) или 144 кг/м³ (в более нагруженных зонах прохода и входа-выхода).

2.1. Общие требования

Выбор препрегов и их последующую доработку проводили в соответствии со следующими основными требованиями.

1. Изготовленная сотовая панель должна удовлетворять требованиям норм летной годности АП-25 по горючести и должна быть самозатухающей.
2. Содержание полимерного связующего в препреге должно обеспечить не только требуемые упруго-прочностные характеристики обшивок панелей, но и высокую адгезионную прочность соединения обшивок с сотами.
3. Панели, изготовленные с использованием выбранных препрегов, должны соответствовать требованиям ТУ 30.30.50-007-70027762-2020 к соответствующим физико-механическим показателям панелей в зависимости от зоны их применения (эти требования приведены далее в табл. 4).
4. Из соображений технологичности и производительности процесса формования панелей максимальная температура отверждения препрега должна составлять не более +175°С в течение 3 ч.

Что касается содержания связующего, то его некоторый избыток должен способствовать при формовании панелей образованию так называемых клеевых галтелей, усиливающих места Т-образных соединений стенок сот с обшивками (рис. 2). Галтели образуются в результате смачивания клеем торцов сот с его подъемом на некоторую высоту, обычно 1– 2 мм.

2.2. Разработка связующего композитных обшивок панелей

Как показал опыт ведущих компаний [7], наибольшего эффекта при изготовлении панелей пола можно добиться, используя в качестве связующего композитных обшивок панелей клеевые композиции на основе эпоксидных смол. Учитывая, что эпоксидные смолы являются, как правило, горючими, в компании «Техполиком» была проделана большая работа по снижению их горючести вплоть до самозатухания.

Проведенные исследования и анализ патентной информации по снижению горючести полимерных материалов показали, что наибольшей эффективностью для этой цели обладает трехоксид сурьмы в качестве добавки в системы на основе бромированных ароматических соединений, в том числе в эпоксидные смолы. Это стало основой для доработки полимерного связующего с учетом того, что бромированные эпоксидные смолы и трехоксид сурьмы производятся в России и потому доступны.

В компании «Техполиком» накоплен очень большой опыт разработки расплавных связующих, обладающих клеящей способностью и позволяющих выпускать так называемые клеевые препреги, которые имеют мало (менее 1 %) летучих соединений в своем составе и не требуют клеевых пленок при изготовлении трехслойной панели. Это снимает многие технологические проблемы, объединяя в одном технологическом процессе операции формования обшивок и их склеивания с сотами. При этом имеющееся отечественное технологическое оборудование позволяет выпускать опытные и промышленные партии препрегов.

Следует заметить, однако, что разработка новой композиции потребовала решения ряда задач, часто противоречивых друг другу. Так, снижение горючести может вызвать некоторое снижение прочности отвержденного полимерного связующего и трудности при пропитке армирующего наполнителя. Дело в том, что трехоксид сурьмы и высокая молекулярная масса смолы повышают вязкость связующего затрудняют или даже делают невозможными переработку и применение подобной полимерной системы. Повышенная вязкость также затрудняет образование галтелей при склеивании препрегов с сотовым заполнителем (см. рис. 2).

С учетом вышеизложенного дальнейшая работа была направлена на получение клеевой композиции из отечественного сырья, обладающей низкой горючестью, приемлемой вязкостью при температуре формования и обеспечивающей требуемые весовые и прочностные показатели как обшивок, так и панелей пола.

В результате проведенных работ было разработано бромированное эпоксидное связующее с температурой отверждения +175 °С в течение 3 ч. Опытным путем было подобрано содержание трехоксида сурьмы в системе (около 7 % мас.), а также брома – порядка 6,9 % мас. Полученная композиция содержит в себе только отечественные компоненты и легко вписывается в технологический процесс изготовления клеевых пленок и препрегов по расплавной технологии на оборудовании компании «Техполиком». Ее рецептура позволила обеспечить выполнение требований к горючести стеклопрепрега на основе этого отвержденного связующего.

Изготовленная после оптимизации состава опытная партия клеевой композиции представляла собой при комнатной температуре твердую массу белого цвета с блестящей гладкой поверхностью. Полученная из нее клеевая пленка по внешнему виду и по технологическим параметрам переработки была аналогична известному эпоксидному пленочному клею конструкционного назначения ВК-36Р.

2.3. Испытания клеевой композиции

Разработанная клеевая композиция должна выполнять функции связующего композитных обшивок панелей и одновременно – при отсутствии промежуточной клеевой пленки – клея при соединении обшивок с сотовым заполнителем с образованием галтелей в зоне контакта (см. рис. 2). Для оценки клеящей способности разработанной композиции, взятой в виде клеевой пленки, были проведены испытания на сдвиг при растяжении (согласно ГОСТ 14759-69) склеенных образцов алюминиевого сплава Д16АТ, анодированных в хромовой кислоте, и испытания на отрыв обшивок образцов панелей от сотового заполнителя из фольги АМг2-Н с ячейкой размером 2,5 мм (согласно ОСТ 1 00728-75).

В табл. 1 представлены результаты испытаний в сравнении с конструкционным клеем ВК-36Р и негорючим клеем ВК-46. Как видно, прочность соединения на основе опытной клеевой композиции оказалась выше, чем у негорючего клея ВК-46, и только незначительно ниже, чем у ВК-36Р.

Важной особенностью конструкционного пленочного клея является, как упоминалось выше, способность образовывать клеевые галтели, необходимые при изготовлении сотовых конструкций. Испытания на равномерный отрыв по стандарту ОСТ1 900069-72 показали, что клей хорошо смачивает торец алюминиевой фольги, давая четко выраженные галтели, а отрыв происходит исключительно по фольге из сплава АМг2Н с пределом прочности 5.5–5.7 МПа.

Забегая вперед, следует заметить, что, как показали последующие исследования характера разрушения образцов панелей с мета-арамидными сотами после отдира обшивки, на ней также видны четко выраженные клеевые галтели (рис. 3). Это говорит и о смачивании разработанной клеевой композицией взятых в работе сот. Таким образом, эта композиция может служить пленочным клеем, который лишь незначительно уступает по прочности склеивания конструкционному клею ВК-36Р. Ее исследования, как связующего, проводили на армирующем наполнителе в виде сатиновой стеклоткани Т-10-14 с переплетением 8/3. Следует отметить, что закономерности свойств, найденные для Т-10-14, широко распространенной для изготовления препрегов, практически полностью распространяются на другие стеклоткани, выбранные для дальнейших исследований и изготовленные в том числе из высокомодульных волокон.

Для ткани Т-10-14 было найдено, что оптимальный массовый нанос на нее разработанной композиции составляет примерно 40 % мас., что выше, чем для обычных эпоксидных связующих (33 % мас.), поскольку за счет бромсодержащих компонентов ее плотность выше, и ее требуется больше для обеспечения того же объемного наноса.

Результаты испытаний на межслоевой сдвиг (табл. 2) и сжатие (табл. 3) образцов стеклопластика, изготовленного из опытного препрега на основе новой клеевой композиции, подтвердили правильность выбора компонентов, особенно в сравнении с широко распространенным в нашей стране препрегом марки КМКС-2М.120Т10-37.

Результаты исследований эпоксидной клеевой композиции с введенными в ее состав бромированными ароматическими соединениями и трехоксидом сурьмы позволили выбрать ее в качестве одного из основных компонентов для изготовления стеклопрепрегов, примененных затем в производстве трехслойных сотовых панелей пола.

3. Разработка препрегов

Дальнейшие работы были направлены на разработку и изготовление препрегов с использованием высокомодульной стеклоткани Т-60 (ВМП)-14 (ТУ 6-48-05786904-111-92) и стеклоткани марки Т-64 (ВМП) (ТУ 5952-009-16319666-98), предназначенных для изготовления обшивок трехслойных панелей пола. Препреги получили следующие обозначения в соответствии с маркой используемого связующего:

• ТПК-36НД на основе стеклоткани Т-60 (ВМП)-14 (предназначен для наружных слоев обшивок панели);
• ТПК-36НД на основе стеклоткани Т-64 (ВМП) (предназначен для промежуточного слоя между наружным слоем и сотами. Его введение значительно увеличивает прочностные характеристики панели пола).

Следующим препрегом, который был применен для изготовления панелей пола, был гибридный препрег марки АСМ102Н-CG195XX (ТУ 23.99.14-172-61664530-2024) на основе углеродных волокон и стеклоткани, разработанный компанией «Препрег-СКМ» и имеющий более высокие упругопрочностные характеристики, чем препреги ТПК-36НД на ткани Т-60 (ВМП)-14, и предел прочности при межслоевом сдвиге на уровне препрега КМКС-2М-120Т-10-37. С учетом того, что препрег АСМ102Н-CG195ХХ является серийно выпускаемым продуктом, причем с более низкой поверхностной плотностью по сравнению другими препрегами, он не подвергался доработкам при применении его в конструкции сотовых панелей пола.

Для получения гарантированно более высоких прочностных показателей в конструкцию панели пола в качестве промежуточного слоя между основным препрегом АСМ102Н-CG195ХХ и сотами вводили стеклопрепрег ТПК-36НД на основе стеклоткани Т-64 (ВМП).

Для изготовления панелей пола использовали также стеклопрепрег марки ТПК-15 на основе негорючей клеевой композиции и стеклоткани Т-60 (ВМП)-14, разработанный компанией «Техполиком» и предназначенный для наружных слоев панели, а также препрег ТСК-15 на основе стеклоткани Т-64 (ВМП) в качестве промежуточного слоя. Основное отличие данных препрегов от ТПК-36НД заключается в более низкой температуре формования (+140 °С в течение 3 ч).

Образцы трехслойных панелей для испытаний изготавливали как с использованием препрега только одного вида, так и путем комбинирования препрегов.

4. Конструкция и технология формования панелей пола

Схематично конструкция панели пола представлена на рис. 4. В состав панели входят следующие слои (нумерация слоев соответствует номерам позиций на рис. 4).

1. Препрег с укладкой основы ткани под углом 90° к направлению, поперечному к направлению растяжки сотового заполнителя (вдоль длинной стороны сотовых панелей).
2. Препрег с укладкой основы ткани под углом 0° к направлению растяжки сотового заполнителя.
3. Препрег на основе стеклоткани Т-64 (ВМП).
4. Сотовый мета-арамидный заполнитель.

Продольно-поперечную укладку препрегов 1 и 2 проводили для обеспечения большей изотропности свойств обшивок в плоскости трехслойной панели.

Формование панелей пола из указанных в разд. 3 препрегов (рис. 5) проводили на многоэтажном гидравлическом прессе с масляным нагревом при температуре +175 °С в течение 3 ч при давлении 3,5 кгс/см² с последующим принудительным воздушным охлаждением для сокращения времени цикла (рис. 6). В случае препрегов ТПК-15 и ТСК-15 температура формования составляла +140 °С.

Технологический процесс изготовления заготовок панелей пола, если кратко, включает следующие основные операции.

1. Входной контроль качества полуфабрикатов (эпоксидных препрегов и мета-арамидных сот).
2. Сборка пакета полуфабрикатов, включая нанесение на рабочую поверхность панелей алюминиевой фольги для снятия статического электричества.
3. Формование панелей пола на многоэтажном гидравлическом прессе.
4. Механическая обработка панелей.
5. Приемочный контроль качества готовых панелей.

Общий цикл изготовления заготовок панелей пола составляет около 10 ч.

5. Результаты испытаний панелей и их обсуждение

В процессе работы были изготовлены несколько сотен образцов с различной комбинацией перечисленных выше препрегов (см. разд. 3), которые затем были испытаны до разрушения по следующим методикам.

1. Испытание длинной балки на четырехточечный изгиб по ГОСТ Р 56680 (ASTM C 393).
2. Испытание на трехточечный изгиб короткой балки по ГОСТ Р 56791 (ASTM C 393).
3. Отдир обшивки на барабане (неравномерный отрыв) по ГОСТ Р 56792 (ASTM D 1781).

При этом каждый образец испытывался на горючесть согласно авиационным правилам АП-25. Приложение F. Часть 1 (а)(1)(i).

Результаты испытаний сравнивали с физико-механическими характеристиками заготовок панелей пола, изготовленных согласно ТУ 30.30.50-007-70027762-2020 для самолетов Ту-204/214. Обобщенные результаты испытаний приведены в табл. 4.

Таблица 4. Характеристики заготовок панелей «ПАНПОЛ» в различных зонах пассажирской кабины самолета согласно ТУ 30.30.50-007-70027762-2020, а также полученные на основе сырья Hexcel Composites и отечественных препрегов производства «Техполиком» (при температуре формования +175 и +140 ^оС) и «Препрег-СКМ»

Как видно, практически все разработанные варианты трехслойных сотовых панелей удовлетворяют требованиям ТУ 30.30.50-007-70027762-2020 и не уступают аналогам компании Hexcel Composites. Окончательный же выбор того или иного варианта авторы работы оставляют за заказчиком в соответствии с его техническими требованиями к трехслойным сотовым панелям.

Выводы

1. Разработаны, исследованы и применены в конструкции трехслойных сотовых панелей пола современных пассажирских самолетов, в частности Ту-204-300 и Ту-214, эпоксидные препреги отечественных производителей.
2. Исследованы и испытаны пять видов препрегов, прочностные характеристики и показатели горючести которых позволили рекомендовать их для производства панелей пола.
3. Физико-механические характеристики полученных панелей пола оказались не хуже, чем у панелей, произведенных из материалов фирмы Hexcel (Великобритания), т.е. соответствуют мировым стандартам.
4. Разработана технология комбинирования препрегов разных производителей в одном продукте, что позволило получить панели пола самого высокого качества.
5. В ЦАТИ организован и функционирует участок по изготовлению панелей пола и интерьера полного замкнутого цикла, позволяющий производить до 3000 шт. заготовок размером 2440´1220 мм в год, что соответствует выпуску 50 самолетов типа Ту-214. Росавиацией произведена сертификация производства.

В заключение следует добавить, что применение разработанных трехслойных сотовых панелей, разумеется, не ограничивается самолетостроением и, очевидно, может быть распространено и на другие отрасли промышленности.

Литература

1. Шершак П. В., Косарев В. А., Рябовол Д. Ю. Гибридные обшивки в сэндвич-конструкциях панелей пола летательных аппаратов // Авиационные материалы и технологии. – 2018. – № 3. – С. 35–37.
2. Баранников А. А., Вешкин Е. А., Постнов В. И. и др. К вопросу производства панелей пола из ПКМ для летательных аппаратов (обзорная статья) // Известия Самарского научного центра РАН. – 2017. – Т. 19, № 4(2). – С. 198–11.
3. Комаров В. А., Кунцевич К. Е., Павлова С. А. и др. Оптимизация трехслойных сотовых панелей пола из полимерных композиционных материалов пониженной горючести на основе высокопрочных углеродных и стеклянных волокон и клеевого связующего // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технология и машиностроение, 2020. – т. 19. № 3, с 51–52.
4. Гончаренко В. А. Оптимизация трехслойных конструкций // Полимерные материалы. – 2004. – № 3. – С. 18.
5. Ильюшенков С. Ф., Середута П. И. Возможности снижения массы элементов интерьера современных пассажирских самолетов // Полимерные материалы. – 2019. – № 19. – С. 32–38.
6. Ильюшенков С. Ф., Цветков В. Е., Середута П. И., Цветкова Н. Н. Современные конструкторско-технологические разработки элементов интерьера ЛА // Полимерные материалы. – 2024. – № 12. – С. 36–42.
7. Аниховская Л. И., Батизат Д. В., Батурина Е. И. и др. Негорючий пленочный клей и клеевой препрег на его основе // Клеи, герметики, технологии. – 2013. – № 6. – С. 2–5.

Development of Sandwich Honeycomb Floor Panels for Passenger Aircraft made of Polymer Composites

S. F. Ilyushenkov, D. V. Batizat, P. I. Sereduta

The floor of modern passenger aircraft consists of sandwich composite honeycomb panels. Due to the general policy of import substitution and the achievement of technological sovereignty in recent years, the issue of switching to domestic raw materials for the mass production of these panels with reduced combustibility has become acute. As a result of the conducted research and experimental design and technological work, this important task for the industry was successfully solved in the joint work of three Russian companies.

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 3 (310) 2025 г., с. 14-21.