Современные конструкторско-технологические разработки элементов интерьера ЛА

В обновленной в 2022 г. редакции государственной программы РФ «Развитие авиационной промышленности» в числе стратегических приоритетов заявлены следующие цели [1]:

• постоянное обновление научно-технического задела по ключевым технологиям в отечественном авиастроении;
• обеспечение независимости Российской Федерации от иностранных государств в области авиационной деятельности.

Коллектив «Центра авиационных технологий и интерьера» (ЦАТИ) последовательно развивал свою программу производства трехслойных конструкций (ТСК) для элементов интерьера ЛА, планируя в ближайшее время выйти на 100%-ное использование для этих целей отечественных материалов. Примерами подобных ТСК могут быть панели фальшборта, межсалонные перегородки, оконные панели, туалетные модули, кухонные блоки и пр., предназначенные для использования в ЛА различной комфортности. Так, на рис. 1 и на титульном фото представлены элементы интерьера самолета Ту-204-300, предназначенного для перевозки VIP-пассажиров и сопровождающих лиц. Все эти элементы изготовлены из ТСК, разработанных и произведенных в ЦАТИ.

Состояние вопроса

В настоящее время для изготовления элементов интерьера ЛА в авиационной промышленности мира применяются трехслойные конструкции (ТСК), состоящие из двух тонких жестких обшивок из полимерного композиционного материала с расположенным между ними легким низкомодульным заполнителем в виде сот на основе полимерной бумаги. Все ТСК, используемые в отечественном авиапроме для данных целей, должны соответствовать нормам АП-25.853 по горючести, дымообразованию и тепловыделению, а также обладать надлежащими физико-механическими характеристиками. Характерным примером являются ТСК, состоящие из мета-арамидных сот с кажущейся плотностью 48 кг/м³ и обшивок, изготовленных из препрегов на основе фенольного связующего и стеклоткани по два слоя с каждой стороны. Соты, применяемые в настоящее время в отечественных самолетах, производятся в основном в Китае, а также частично в ОНПП «Технология» из мета-арамидной бумаги, закупаемой также в Поднебесной. Отечественных фенольных стеклопрепрегов, соответствующих нормам АП-25.853 по указанным показателям огнестойкости и обеспечивающих получение высоких физико-механических характеристик ТСК, крайне мало, и наиболее подходящие для обшивок ТСК препреги приходится приобретать опять же в Китае, как, впрочем, и декоративно-отделочные материалы в виде декоративных пленок, искусственных кож или тканей. Объясняется это санкциями от недружественных западных стран, усилившимися после начала СВО. В итоге в интерьере современных отечественных самолетов в рамках «импортозамещения» представлен практически на 100 % китайский продукт. Так что говорить о технологическом суверенитете в этой сфере пока не приходится.

В настоящей работе авторы постарались за счет применения отечественных материалов и разработок и опираясь на свой многолетний опыт в этой области [2] свести к нулю зависимость от зарубежной продукции, обеспечив при этом заданные физико-механические свойства ТСК и максимальную производительность их изготовления. В связи с этим была выбрана бесклеевая технология сборки пакетов ТСК и использованы готовые препреги для обшивок.

Концептуально работа была разделена на три этапа, на каждом из которых разрабатываемые материалы и ТСК, условно обозначаемые в дальнейшем как ТСК 1, ТСК 2 и ТСК 3, обязательно проходили через процедуру испытаний согласно указанным выше нормам и ТУ. Не прошедшие данные испытания материалы и полуфабрикаты в дальнейшей работе не использовались.

Этап 1

На первом этапе среди прочего решались задачи одновременного формования всего пакета ТСК в целях повышения производительности процесса, а также разработки декоративного материала и технологии его нанесения на ТСК.

К изготавливаемым элементам интерьера современных ЛА предъявляется ряд строгих требований, включая следующие:

• минимальный вес при соблюдении достаточно высоких требований к физико-механическим характеристикам;
• соответствие используемых материалов и готовых ТСК нормам огнестойкости АП-25.853;
• высокая стойкость применяемых для отделки ТСК декоративных материалов к механическому воздействию, в том числе абразивному, а также к воздействию агрессивных жидкостей, красящих средств и пр.

Выполнение последнего требования до некоторых пор достигалось путем использования в качестве декоративного слоя модифицированной ПВХ-пленки с односторонним фторопластовым покрытием. Но после того, как производители данных пленок – фирмы Schneller (США) и Isovolta (Австрия) – ушли с российского рынка, альтернативной замены этих материалов отечественной продукцией не оказалось. Собственно, по этой причине встала задача разработки декоративной пленки и технологии ее нанесения на сотовую панель традиционной конструкции, обозначаемую в дальнейшем как ТСК 1 и изготавливаемую из исходных материалов, поставляемых из Китая. Применение такой пленки позволило бы заменить указанные выше дорогостоящие декоративно-отделочные пленки западных фирм.

В результате для декоративного слоя была выбрана бумага высокой плотности производства компании «Шаттдекор» (Россия), изготавливаемая из древесной целлюлозы и используемая обычно для отделки мебели. На сегодняшний день в коллекции «Шаттдекор» имеется более 200 вариантов декоративной раскраски данной бумаги.

Основная задача теперь заключалась в разработке негорючего состава для пропитки указанной бумаги и изготовления на ее основе декоративной пленки, определяющей внешний вид ТСК 1, схема сборки которой представлена на рис. 2.

В результате большого количества экспериментов и испытаний был выбран пропиточный состав, состоящий из трех перечисленных ниже компонентов отечественного производства.

1. Аминоформальдегидная смола марки СП-250, представляющая собой продукт поликонденсации формалина, меламина, карбамида и технологических добавок. Отличительной особенностью данной смолы от существующих является использование катализатора, позволяющего увеличивать степень поликонденсации от 6 до 10–12, что позволяет получать олигомеры с молекулярной массой в пределах 1200–1800 и модулем Юнга бумажно-слоистых пластиков на их основе в пределах от 5000 до 20 000 МПа. Синтезированная смола СП-250, свойства которой представлены в табл. 1, поставляется в виде водного раствора и отличается длительной жизнеспособностью, низкой вязкостью, высокой концентрацией, небольшим содержанием свободного формальдегида и низкой пенетрацией.
2. Отвердитель Д-40, представляющий собой водный раствор солей ортофосфорной кислоты и являющийся одновременно активным антипиреном.
3. Легирующая добавка ЛД, представляющая собой продукт конденсации этаноламинов с ненасыщенными органическими кислотами и выполняющая функции смачивателя и антиадгезива.

Пропитка и последующая сушка готовой пленки производились на оборудовании компании «Шаттдекор». В процессе изготовления пленки были использованы добавки в виде тонкоизмельченного корунда и микроцеллюлозы, которые существенно повысили поверхностную прочность и стойкость к истиранию декоративного слоя. По итогам работы на эту декоративную пленку были оформлены ТУ 2223-003-16.78.37.04-2023 «Негорючая бумажно-смоляная пленка «Олиго» для ламинирования пластиков». Применение пленки «Олиго» позволяет получить самый разнообразный цветовой спектр наружной поверхности ТСК и полностью отказаться от применения зарубежных пленок подобного назначения.

Формование заготовок панелей интерьера производили на прессовом и вакуумном оборудовании ЦАТИ (рис. 3) по режимам, представленным в табл. 2. На прессовом оборудовании изготавливаются прямолинейные элементы интерьера, на вакуумном – криволинейные элементы интерьера. В качестве заполнителя в ТСК 1 использовали мета-арамидные соты с кажущейся плотностью 48 кг/м³, а для изготовления обшивок – готовый препрег китайского производства на основе фенольного связующего (жизнеспособность – 12 мес. при температуре –18 °C) и стеклоткани с поверхностной плотностью 300 г/м².

Следует заметить, что в целях сокращения количества используемых материалов и удешевления ТСК их формование проводилось без использования клея в расчете на достаточное количество связующего в препрегах для образования прочного соединения обшивок ТСК с сотовым заполнителем. Как показали результаты последующих испытаний, этот расчет оказался верным.

Полученные ТСК 1 прошли полный цикл испытаний на соответствие нормам АП-25.853 по горючести, дымообразованию и тепловыделению в ВИАМе и подтвердили свои характеристики (табл. 3). Забегая вперед, добавим, что в той же табл. 3 для удобства сравнения приведены результаты испытаний на огнестойкость ТСК 2 и ТСК 3, разработанных соответственно на этапах 2 и 3.

Изготовленная таким образом панель получила название «Пантин М» (ТУ 30.30.50-001-70027762-2019). Масса одного квадратного метра панели толщиной 10,8 мм составляет 2,90 кг, что сопоставимо с массой применяемых в Европе трехслойных сотовых панелей интерьера на фенольных стеклопрепрегах и мета-арамидных сотах. Кроме того, многократно проведенные физико-механические испытания этих панелей толщиной 10,8 мм показали, что в среднем разрушающие усилия, значения которых приведены в табл. 4 (см. результаты испытаний ТСК 1), полностью отвечают предъявляемым к ним требованиям и на 30 % выше, чем у аналогичных панелей европейского производства. Следует заметить, что толщина ТСК, равная 10,8 мм, является традиционной для панелей интерьера ЛА и представляет собой сумму значений толщин сотового заполнителя (10 мм) и общей толщины обшивок (0,8 мм). Именно такое сочетание обеспечивает достаточно высокие значения прочности и жесткости панелей при их низкой массе.

Кроме того, было проведено большое количество экспериментов, направленных на определение стойкости готовых панелей к знакопеременным температурным нагрузкам (от –25°С до +80°С) в сочетании с обработкой водяными и соляными растворами. Результаты этих испытаний показали, что декоративная сотовая панель «Пантин-М» выдерживает их без изменения внешнего вида. Изготовленные из «Пантин-М» элементы и детали интерьера в настоящее время применены в отделке пассажирской кабины самолета ТУ-200-300 № 64038, планируемого к поступлению в эксплуатацию в апреле 2025 г.

Этап 2

На втором этапе решалась задача изготовления ТСК из расчета еще более широкого использования отечественного сырья. После проведения ОКР по подбору исходных материалов и испытанию изготовленных на их основе панелей была выбрана их конструкция, представленная на рис. 4.

По сравнению с ТСК 1 изменения коснулись как конструкции панелей, так и температурно-временного режима формования. Что касается конструкции, то было решено заменить импортные мета-арамидные соты на отечественные алюминиевые с размером ячейки 5,2 мм. Но при этом оказалось, что фенольный стеклопрепрег, для которого были ранее получены хорошие результаты по приклеиванию к нему декоративной пленки «Олиго», имеет низкую адгезию к алюминиевым сотам. Тогда, с учетом имевшегося положительного опыта работы с отечественным эпоксидным стеклопрепрегом и алюминиевыми сотами в качестве своего рода клеевого слоя между фенольным стеклопрепрегом и алюминиевыми сотами был использован этот эпоксидный стеклопрепрег. А чтобы отделить друг от друга несовместимые по типу связующего фенольный и эпоксидный стеклопрепреги, между ними расположили алюминиевую оксидированную фольгу из сплава АМг-2н-0,04 с хорошим адгезионным взаимодействием с обоими связующими. Кроме того, алюминиевая фольга выполняла также усиливающую функцию.

Наконец, тот температурно-временной режим формования, который был выбран для формования ТСК 2 (140^оС в течение 3 ч), удовлетворял условиям отверждения как фенольного, так и эпоксидного связующего в обоих препрегах.

Результаты испытаний на соответствие АП-25.853 и физико-механических испытаний приведены в табл. 3 и 4. Полученные в результате работы на этапе 2 сотовые панели могут быть применены в отделке интерьера практически любого вида авиационного транспорта за исключением самолетов пассажировместимостью свыше 20 человек.

Этап 3

На этапе 3 работы вопрос импортозамещения был решен полностью. В качестве заполнителя ТСК 3 были выбраны те же соты на основе алюминиевой фольги, что и в ТСК 2. Обшивки изготавливались из многослойного материала, состоящего из алюминиевой фольги, эпоксидного стеклопрепрега и декоративной пленки (рис. 5).

Основное отличие ТСК 3 от ТСК 2 заключалось в том, что в структуре сотовой панели были применены сверхтонкие препреги на основе ткани, состоящей из высокомодульных стеклянных волокон, и связующего на основе бромированных с применением трехоксида сурьмы эпоксидных смол. Поверхностная плотность стеклоткани составляла всего 105 г/м² в отличие от ранее использованной (300 г/м²). В результате удалось добиться значительного снижения массы панелей по сравнению с ТСК 1 и ТСК 2 при сохранении заданных физико-механических показателей (см. табл. 3), несмотря на то, что в обшивках ТСК 3 были использованы по 3 слоя препрегов, а в ТСК 1 и ТСК 2 – по 2 слоя. Усилению обшивок способствует также дополнительный слой алюминиевой фольги. Жизнеспособность препрегов составляет 12 мес. при температуре хранения –18 °С. Температурно-временной режим формования ТСК 3 (3 ч при 175 °С) соответствует условиям отверждения эпоксидного связующего.

Если кратко, то типовой технологический процесс изготовления данных ТСК включает следующие основные операции.

1. Входной контроль качества полуфабрикатов (декоративной пленки, алюминиевых сот, алюминиевой фольги и эпоксидных препрегов).
2. Сборка пакета полуфабрикатов.
3. Формование пакета.
4. Механическая обработка ТСК.
5. Приемочный контроль качества готовых ТСК.

Общий цикл формования ТСК составляет около 9 ч. На рис. 6 приведены примеры элементов интерьера ЛА после их предварительной монтажной сборки в условиях производства.

Проведенные испытания на соответствие нормам АП-25.853 по горючести, дымообразованию и тепловыделению (см. табл. 2) показали несомненное преимущество разработанных ТСК по сравнению с применяемыми в настоящее время в интерьерах ЛА аналогами.

Выводы

В результате проведенной работы были решены следующие задачи.

1. Впервые в России разработаны негорючая декоративная пленка на бумажной основе и технология ее приформовки к сотовой панели, изготавливаемой из фенольных и эпоксидных стеклопрепрегов.
2. На основе разработанных материалов изготовлены детали интерьера самолета Ту-204-300 № 64038 и произведен их монтаж на борту воздушного судна.
3. Применение декоративной пленки позволило отказаться от дорогостоящих декоративно-отделочных зарубежных пленок, что удешевило стоимость готового самолета.
4. Разработаны материалы и технология изготовления декоративных сотовых панелей с использованием только отечественных материалов в виде алюминиевых сот и эпоксидных препрегов, что еще более снизило стоимость сотовых панелей.
5. Разработанные на основе высокомодульных эпоксидных стеклопрепрегов и алюминиевых сот панели, обладающие практически полной инертностью в плане выделения вредных веществ, высокой сопротивляемости горению и незначительного дымообразования, а также высокой прочностью, могут быть использованы не только в отделке пассажирского салона ЛА, но и в отделке орбитальных жилых модулей космических аппаратов.

Литература

1. Постановление Правительства РФ от 22.11.2022 г. № 2114 «О внесении изменений в государственную программу Российской Федерации «Развитие авиационной промышленности».
2. Ильюшенков С. Ф., Середута П. И. Возможности снижения массы элементов интерьера современных пассажирских самолетов // Полимерные материалы. – 2019. – № 19. – С. 32–38.

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 12 (307) 2024 г., с. 36-42.

Modern Design and Technological Developments of Aircraft Interior Elements

S. F. Ilyushenkov, V. E. Tsvetkov, P. I. Sereduta, N. N. Tsvetkova

The aviation industry is one of the key high–tech sectors of the Russian economy. New developments made in the aviation industry are then applied in other industries and contribute to improving their efficiency. An example is the lightweight sandwich structures presented in this paper, designed for the manufacture of interior elements of aircraft and made only from domestic materials. Thus, a new step has been taken towards gaining technological sovereignty in the Russian aircraft industry.