менее 28–30 %. Эти параметры обеспечивают статическую и усталостную прочность (сопротивление переменным нагрузкам). Проводимые на МВЗ эксперименты показали, что в лонжеронах лопастей, создаваемых намоткой, содержание связующего колебалось на одном и том же лонжероне от 14 до 35 %. Это — осредненные значения для образцов, вырезанных из мест конструкции со сравнительно регулярной укладкой и геометрией. Толщина этих образцов равна толщине стенки или полки лонжерона (рис. 4). Можно предположить, что изучение содержания связующего по слоям в нерегулярных местах может показать еще большее различие в толщине слоев. К сожалению, такие исследования не проводились. Зависимости же усталостной прочности от процентного содержания связующего хорошо известны (рис. 5) И если избыток связующего создает проблемы с геометрией сечения, балансировкой, весовым совершенством, вибрациями вертолета, то недостаток связующего снижает усталостную прочность, что может привести к самым непредсказуемым и негативным последствиям.
Можно утверждать, что намоточная технология применительно к лонжеронам лопастей, имеющим дельтовидную форму сечения, имеет «генетический» дефект, по-видимому, неустранимый или трудноустранимый. Разумеется, это не означает, что такие лопасти вообще недолговечны. При достаточно низких относительных деформациях они могут использоваться. Но такая технология не позволяет извлечь все возможные выгоды использования свойств композитных материалов, получить более легкие, более долговечные лопасти и несущие винты с большим КПД.
Разумеется, из сказанного нельзя делать вывод о порочности намоточной технологии в принципе. Напротив, для тел вращения и близких к ним по форме эта технология весьма целесообразна.
Рис. 5 Зависимость усталостной прочности от процентного содержания связующего
Известно, какое важное значение имеет точность изготовления внешнего контура лопасти. Для обеспечения этого при намоточной технологии используется внутренний контур прессформы. Предполагается, что в процессе полимеризации внешняя поверхность лонжерона будет прилегать к внутренней поверхности прессформы. Как это получается?
Допустим, наружный контур мешка на оправке не вполне эквидистантен будущему наружному контуру лонжерона, хотя он и определяется внутренним контуром оправки. Надуем мешок и посмотрим, как будут перемещаться части контура будущего лонжерона (рис. 6). Те части, которые составляют участки с малой кривизной, под действием давления придвинутся к соответствующим стенкам прессформы, так как нелинейная жесткость системы нитей в поперечном направлении (вдоль радиуса R) при небольших перемещениях весьма мала; поэтому ничто не препятствует перемещению нитей под давлением. Жесткость же в местах большой кривизны (вдоль радиуса r) велика и определяется жесткостью нитей на растяжение, а силы сопротивления давлению мешка, определяемые силами растяжения и обратные радиусу кривизны, оказываются значительно больше сил давления. Поэтому никакого перемещения вдоль направления r не происходит. В результате фигура, представляющая сечение лопасти после отвердения, должна выглядеть так, как показано на рис. 7. Вероятно, картина и была бы таковой, если бы связующее не было достаточно текучим. Если нити в этих местах не перемещаются под действием давления, то связующее может течь между волокнами и заполнять участки зоны в углах, чему есть фактическое подтверждение.
Таким образом, имеет место дополнительное обеднение связующим важных мест сечения, и это является вторым «генетическим» дефектом такой конструкции и технологии.
Разумеется, здесь рассмотрен один, главный фактор, приводящий к уменьшению прочности композита. На первый взгляд может показаться, что этот дефект может быть исправлен созданием наружного контура оправки, в точности эквидистантного внутреннему контуру прессформы. Однако это заблуждение. Есть факторы, как случайные, так и закономерные, которые не позволяют устранить дефект полностью. Во- первых, для передачи давления на будущий композит мешок обладает достаточной податливостью, намотанные на него нити будут его деформировать (главным образом в местах с большей кривизной). Во-вторых, многослойный пакет композита, который сформируется после намотки, будет иметь различную плотность в разных местах контура, причем в местах с малой кривизной он будет рыхлым, а в местах с большей кривизной значительно более плотным. Это второй фактор, который отклоняет первоначальный контур от заданной геометрии. При рациональных затратах невозможно справиться с тем, что толщина нитей, количество связующего в лентах препрега колеблются, а это также приводит к искажению контура и колебаниям толщины будущих стенок лонжерона.
Таким образом, конструкция, в основе которой лежит намоточная технология, имеет принципиальный «генетический» дефект, который можно частично устранить только путем повышения как точности всех приспособлений, так и качества компонентов будущего композита. Это может привести к неоправданному удорожанию себестоимости изготовления изделия.
Еще раз целесообразно подчеркнуть, что причиной «генетического» дефекта является попытка создавать композитную конструкцию из жестких на растяжение нитей с базированием на две жесткие поверхности, в которых отсутствуют компенсационные механизмы, парирующие действие различных отклонений.
«Генетический» дефект можно устранить двумя способами. Во-первых, отказаться от желания получить точный наружный контур. Это означает, что формование композита происходит не с помощью жесткой наружной прессформы, а через сравнительно нежесткие (упругие) цулаги, которые только препятствуют появлению неровностей на поверхности, не формируя контур лонжерона. Обычно это металлические листы сравнительно небольшой толщины (дюраль 5 = 0,8–1,0 мм). Опыт получения лопастей по такой технологии показывает, что свойства компонентов композита используются более или менее полно и усталостная прочность конструкции сравнительно неплоха (aw не менее 3,5– 4,2 кг/мм
Во-вторых, отказаться от стремления базироваться по двум контурам, применяя базирование только по внешнему; при этом нити разрезают и делают их достаточно короткими. В таком случае мы сталкиваемся с так называемой укладочной технологией, применяемой практически всеми вертолетными фирмами. Таким образом получается весьма точный наружный контур, а в композите минимизируются внутренние напряжения.
В России такая технология используется на УВЗ им. Н.И. Камова и Казанском вертолетном заводе. При этом оказывается, что усталостная прочность таких лопастей нисколько не ниже усталостной прочности лопастей, полученных методом намотки.
