Авиация и космонавтика 2013 10

Непосредственно перед началом летных испытаний опытных самолетов Т10-1/2 и Т10-3/4 на каждом из них был проведен большой объем частотных испытаний планера самолета. Целью работ являлось определение частоты и формы его собственных колебаний, необходимых для дальнейших исследований динамических явлений аэроупругости на математических (в расчетах) и физических моделях (ДПМ в АДТ), проведения количественного анализа и определения необходимых «запасов» по критическим параметрам. Параллельно, в ходе этих работ выполнялись экспериментальные исследования частотных характеристик и устойчивости контура «упругий ЛА – СДУ» с определением запасов устойчивости. Результатом проведенных исследований было введение фильтра упругих колебаний (ФУК) в продольный канал управления и некоторых других изменений, обеспечивших требуемые запасы динамической аэроупругой устойчивости на самолете.

Элерон из композиционных материалов

Панель воздухозаборника из композиционных материалов

При проектировании Су-27 в 1974-1975 гг. ОКБ совместно с ВИАМ и НИАТ велись достаточно серьезные исследования в плане освоения новых технологий и материалов. Одним из основных направлений деятельности являлась попытка внедрения на самолете полимерных композиционных материалов (КМ). В1974 г. в ОКБ разработали аванпроект по применению композиционных материалов в конструкции самолета. Учитывая новизну и недостаточную изученность КМ, их внедрение в конструкцию самолета предполагалось осуществлять поэтапно – начиная со съемных малонагруженных деталей и агрегатов, постепенно переходя к съемным средне- и сильно нагруженным агрегатам, и лишь на заключительной стадии, по накоплении опыта, на этапе летных испытаний и эксплуатации, – к высоконагруженным несущим конструкциям.

Объем исследовательских работ был довольно велик. Если первоначально КМ рассматривались в качестве конструкционных материалов только для вспомогательных деталей (крышек несиловых люков, обтекателей и т.п.), то уже к концу 1974 г. в ОКБ была разработана и согласована с ЦАГИ и ВИАМ конструкция экспериментальных образцов элерона, стабилизатора и рулей направления с применением углепластика. В том же 1974 г. в ОКБ провели первые испытания образцов сотовых конструкций с обшивками из КМ на продольную устойчивость. В 1975 г. в целях внедрения КМ, на опытном производстве разработали технологический процесс изготовления обшивок из углеродного волокна и технологию их сборки. В ОКБ выпустили конструкторскую документацию для производства экспериментальных образцов агрегатов из композиционных материалов, а в опытном производстве изготовили 5 экземпляров элеронов и 10 створок передней опоры из углепластика, а также экспериментальный образец композиционного руля направления. Отдельно проводились работы по изготовлению различных образцов углепластика, исследованию его склеиваемости с металлами, по отработке покрытия для защиты углепластика от действия влаги и эрозии.

Но чем ближе подходило время начала рабочего проектирования, тем меньше энтузиазма оставалось у конструкторов каркасных отделов по поводу перспектив использования КМ на самолете. Причиной являлась нестабильность характеристик, которую демонстрировали экспериментальные образцы деталей из КМ во время их испытаний. Вполне возможно, что все это было связано с недостаточной отработанностью состава КМ и технологии их производства, но у конструкторов, подгоняемых директивными сроками выполнения задания, уже не оставалось времени для дальнейших исследований. По воспоминаниям О.С. Самойловича: «На заводе был построен цех по производству конструкций из композиционных материалов, был закуплен крупногабаритный западногерманский автоклав "Шольц". Однако "композиты" не нашли широкого применения на самолете Су-27, в основном из-за нестабильности характеристик, много деталей и узлов отбраковывалось.

Когда самолет Су-27 строился, министр П. Дементьев все время ругал Иванова за слабое внедрение конструкций из углепластика и ставил в пример работу КБ Микояна над самолетом МиГ-29.

Иванов как мог отделывался от министра: "Петр Васильевич, мы и так получили очень хорошую весовую отдачу по конструкции и не хотим сейчас рисковать. Посмотрим, чего достигнет КБ Микояна. И если действительно получится выигрыш в весе, я немедленно начну заменять материал.

Тем не менее, экспериментально-исследовательские работы в ОКБ по этому направлению продолжались. В частности, в 1976 г., в рамках работ по снижению массы самолета были выпущены чертежи на изготовление из КМ обтекателей привода стабилизатора, створок подпитки и подвижных панелей воздухозаборника. Для последних была разработана специальная трехслойная конструкция из КМ на основе углеродного волокна с сотовым заполнителем из алюминиевой фольги. Для повышения прочностных характеристик композиционных агрегатов отрабатывалась технология обработки угольного волокна в азотной кислоте перед пропиткой связующим. К сожалению, и на этот раз дело ограничилось, в основном, изготовлением опытных образцов агрегатов. Фактически, КМ в конструкции Су-27 нашли весьма ограниченное применение. Если не считать радиопрозрачных элементов конструкции, на этом этапе работ в конструкцию самолета внедрили только панели отсеков основных опор шасси и обтекатели приводов стабилизатора, выполненные из КМ.

Однако экспериментальные и опытноконструкторские работы, выполненные коллективом инженеров, технологов и конструкторов ОКБ совместно со специалистами ВИАМ, НИАТ и ЦАГИ позволили получить значительный фактический материал по свойствам различных КМ и технологии их переработки в изделия. Сотрудники конструкторских отделов ОКБ приобрели опыт проектирования агрегатов из КМ, стали проявлять профессиональный интерес к полимерным композиционным материалам, как перспективным материалам для авиационной техники. Усилиями специалистов КБ совместно с сотрудниками отраслевых НИ И МАП была создана экспериментальная база, которая позволила ОКБ в дальнейшем успешно применять КМ в конструкции самолетов более поздней разработки.

Важным направлением работ на Су-27 стало применение титановых конструкций. На первых трех опытных самолетах (включая экземпляр планера для прочностных испытаний) титан имел сравнительно ограниченное применение. Из крупных деталей он применялся для изготовления силовых шпангоутов ХЧФ, торцевых нервюр центроплана, и оперения, а также некоторых деталей шасси, суммарная доля титана в конструкции планера составляла при этом около 9%. Наиболее интересными с конструктивно-технологической точки зрения являлись силовые шпангоуты в ХЧФ. Они были сварными из сплава ВТ-20. Особенностью шпангоутов являлись большие конструктивные толщины свариваемых элементов.

Титановые панели хвостовой части фюзеляжа

Пресс для изготовления деталей из титана

Заготовки шпангоутов изготавливали из плиты толщиной до 65 мм. Каждый шпангоут формировали из шести свариваемых между собой заготовок. Их предварительно фрезеровали, оставляя в зоне сварки участки одинаковой толщины. Для повышения пластических свойств сварного шва в стык свариваемых частей размещали пластину из титана марки ВТ-1-0 толщиной 5 мм. Сложность заключалась в строгом расчете усадки металла шва при автоматической аргонодуговой сварке погруженной дугой, что было необходимо для получения требуемых геометрических параметров шпангоута. Стыки входящих деталей сваривали с двух сторон, что уменьшало величину сварочных деформаций. Затем осуществляли отжиг сваренного шпангоута для уменьшения напряжений в зоне сварки и проводили ультразвуковой и рентгеновский контроль. Последний проводили дважды – до удаления припусков под сварку и после окончательной механической обработки.