Применение и оценка технического состояния композиционных материалов в летательных аппаратах и беспилотных летательных аппаратах акустико-эмиссионным методом неразрушающего контроля

УДК 620.179.17                                           

Введение. Развитие современной авиационной техники (АТ) сопровождается созданием новых конструкционных композитных материалов (КМ) с перспективными механическими и физическими свойствами. Уменьшение взлетного веса конструкции является неотъемлемой задачей для авиационной промышленности. Конструкция планера большей части современных воздушных судов (ВС) выполнена на 53 % из КМ, а беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) — на 90 %. Исходя из этого, есть необходимость в оценке технического состояния КМ планера радиационными, тепловыми, акустико-эмиссионными (АЭ) методами неразрушающего контроля (НК). Специфической особенностью метода акустической эмиссии является возможность оценки развития различных дефектов.

Машиностроение и машиноведение

Целью исследования являлось повышение точности и оперативности оценки трещиностойкости композиционных материалов за счет применения акустико-эмиссионного контроля.

Композиционный материал — искусственно созданный человеком материал, получаемый соединением в одну структуру разнородных составляющих и характеризующийся лучшими свойствами, по сравнению со свойствами каждого из компонентов.

КМ имеет следующие отличительные признаки:

• -    запроектированные состав и форма;

• -    невозможность встречи аналога в природе;

• -    состав определяется набором n компонентов;

• -    свойства КМ определяются свойствами компонентов;

• -    «служебные свойства» — отсутствие таких свойств у компонентов по раздельности;

• -    неоднородность в микромасштабе;

• -    неоднородность в макромасштабе.

Основные преимущества и недостатки КМ приведены в таблице 1:

Таблица 1

Основные материалы, применяемые в авиастроении, приведены на рис. 1 [1].

Рис. 1. Классификация КМ

Основные преимущества и недостатки КМ

№ п/п Преимущества Недостатки 1 Низкая плотность (р = 1,35-4,8 г/см3) Сложная технология получения 2 Высокая прочность ( бв = 1750 МПа) Высокая стоимость КМ 3 Высокая жесткость (E = 270 000 Мпа) Невысокая прочность связи волокон с матрицей 4 Жаропрочность Низкое сопротивление эрозии и деструкция 5 Термическая стабильность

Материалы и методы

Высокопрочные стеклопластики

Стеклопластики — КМ, состоящие из полимерной матрицы и стекловолоконного наполнителя, в котором присутствуют газообразные включения. Объем использования стеклопластиков различного назначения увеличивается. Это обосновано невысокой стоимостью и доступностью сырья, малой энергоемкостью производства стеклянного волокна, универсальностью и возможностью регулирования в широких пределах физико-механических свойств, возможностью создания гибридных материалов и конструкций на их основе. Изделия из стеклопластиков поддаются всем видам механической обработки. К основным примерам стеклопластиков, применяемым при создании ВС и БПЛА, относят: КАСТ-В листовой, ВФТ-С, СТ-911-1А, СК-9ФА, СТМ-Ф герметичный, ВПС-19М герметичный [2, 3].

Углепластики

Углепластики — КМ, состоящие из связующего и упрочнителей в виде углеродных волокон, нитей, жгутов, лент или тканей. Связующими выступают различные эпоксидные или фенолоформальдегидные смолы. Основные марки углепластиков: КМУ-1, КМУ-1У, КМУ-1В, КМУ-1Л, КМУ-2Л, КМУ-3Л, КМУ-3, КМУ-4Л, КМУ-4Э, КМУ-6-41.

Боропластики

Боропластики — КМ, состоящие из полимерного связующего и упрочнителя — борных волокон. В качестве матрицы используют эпоксидные и полиамидные связующие, а в роли упрочнителей — борные нити или комплексные боростеклонити. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс изготовления боропластиков. К ним относят: КМБ-1, КМБ-1М, КМБ-1К, КМБ-2К, КМБ-3К.

Органопластики

Органопластики — КМ, в которых в качестве армирующего наполнителя выступают волокнистые наполнители. Синтетические волокна обладают хорошими текстильными свойствами. Из них можно получить широкий спектр различных структур: нити, жгуты, ленты, комбинированные ткани. Синтетические волокна незначительно теряют прочность при текстильной переработке. Они малочувствительны к повреждениям. Примеры органопластиков: 7Т, 7Т0, 5Т, 9Т, 6ТКС, 6ТКБ, 7ТКС, 8ТКС.

Металлы, армированные волокнами

Металлы, армированные волокнами, — КМ, в которых в качестве упрочнителя выступают волокна бора, углеродные волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений. В качестве матрицы применяют различные металлы и сплавы, обладающие характерной пластичностью.

Примеры таких материалов: алюминий-борное волокно (ВКА-1А), алюминий-угольное волокно (ВКУ-1), магний-борное волокно (ВКМ-1), магний- угольное волокно, никель-фольфрамовая проволока (ВКН-1).

Объемы использованных КМ в конструкции планера перспективного ЛА различны и составляют: крыло — 80 %, оперение — 81 %, фюзеляж — 31 %, пилон — 34 %, шасси — 23 %. Органы управления самолета Ил-96-300, лопасти несущего винта вертолета Ми-28, планер самолета МС-21 частично выполнены из КМ.

Объем КМ планера БПЛА достигает 90 %. Яркими примерами являются «Крунк», «Дозор-600», «Иноходец».

Применение КМ в планере ВС и БПЛА может значительно облегчить вес конструкции. По формулам (1), (2) можно определить изменение массы планера при применении в нем КМ:

^Дт пл = т т _л ^- т к _л = ⁽Х;А шА + Дт) ^{- (}Х;А шА ^- Z ”=i < i ⁽1 ^{- E} i ))^_t + Дт ⁽¹⁾

Дтпл = X"=i

^тПл.

Если Дт_п> 0, то тП_л< тП_л— планер из КМ легче планера из традиционных материалов. Применяя формулы (1) и (2) можно добиться снижения массы конструкции планера ВС на 28 %, БПЛА — на 60 %.

Вследствие влияния эксплуатационных факторов (рис. 2) возможно возникновение дефектов в КМ, представленных в таблице 2 [1].

Рис. 2. Классификация эксплуатационных факторов влияния на структуру КМ [1]

Машиностроение и машиноведение

Таблица 2

Классификация и характеристика дефектов КМ

Наименование дефекта	Изображение дефекта	Причины возникновения дефекта
Поверхностная трещина Внутренняя трещина Сквозная трещина		Высокая скорость охлаждения, превышение допустимых механических нагрузок, транспортировка
Раковина	О'	Повышение содержания летучих в препреге, изменение скорости нагрева, увеличение времени и величины приложения давления
Поверхностное инородное включение	о	Попадание инородных материалов при изготовлении препрега при его расколе и выкладке

Данные дефекты можно диагностировать за счет применения методов неразрушающего контроля, позволяющих определить техническое состояние планера ВС или БПЛА без уменьшения их пригодности к применению.

К таким методам относят:

• -    рентгеновский метод;

• -    тепловой метод;

• -    ультразвуковой метод;

• -    метод акустической эмиссии (АЭ).

Рентгеновский метод

Рентгеновский метод основан на приеме и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом. Интенсивность излучения изменяется в зависимости от плотности материала, его толщины и наличия дефектов1. Для регистрации прошедшего излучения применяются рентгеновские пленки выбранной вариационной чувствительности, флуоресцирующие экраны и телевизионные установки. Часть конструкции планера ЛА или БПЛА помещается в рентгеновскую установку «СаФайр» для осуществления контроля. Результат проведения рентгеновского излучения проецируется на пленке, в которой дефект будет изображен цветом бледнее, чем фон всей конструкции. Основным недостатком рентгеновского метода является вредное воздействие на объект и субъект контроля [4, 5].

Тепловой метод

Тепловой метод основан на приеме данных об изменении тепловых температурных полей контролируемых объектов, вызванных дефектами. Данный метод осуществляется посредством применения тепловизоров и авиационных фенов.

Первоначально происходит нагрев 1/3 части конструкции планера БПЛА при помощи авиационного фена. На межмолекулярном уровне происходит передача энергии от более нагретой части планера к более холодной. Наблюдаем процесс перетекания энергии используя тепловизор. Окраска дефекта отличается от описываемого выше процесса (рис. 3) [6–8].

1Феррозондовый метод неразрушающего контроля деталей вагонов. Руководящий документ РД 32.149. Москва: Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. 2008. 163 с.

Рис. 3. Изображение дефекта планера БПЛА путем применения теплового метода

Недостаток данного метода — неспособность осуществления проведения контроля в необогреваемых помещениях.

Ультразвуковой метод

Ультразвуковой метод основан на регистрации упругих волн, создавшихся в контролируемой детали. Дефектоскопы УД2В-П, УДТ-40, УСД-50 позволяют обнаруживать трещины порядка 0,5–1 мм. Для осуществления контроля необходимо установление контактной среды между контролируемой частью планера ЛА или БПЛА и приемником-преобразователем дефектоскопа [9–11]. Основной недостаток — вредное воздействие на субъект контроля.

Метод акустической эмиссии (АЭ)

Метод АЭ основан на процессе излучения акустических волн в процессе перестройки структуры материала. Данный метод является пассивным, так как основан на регистрации низкочастотных импульсов дефектов деталей под нагружением. АЭ метод, в сравнении с традиционными методами НК, обнаруживает глубоко залегающие трещины в конструкции материала (таблица 3).

Таблица 3

Сравнение методов НК

Метод НК	Длина обнаруживаемой трещины, мм
Ультразвуковой	0,5–1
Рентгеновский	2–3
Акустической эмиссии	0,000001
Тепловой	0,01–0,001

Для диагностики был создан экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса АЭ диагностики, который позволяет в реальном масштабе времени регистрировать развивающиеся дефекты КМ в низкочастотном диапазоне (рис. 4). Для повышения эффективности АЭ контроля специалистами Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (ВУНЦ ВВС «ВВА»), в число которых входил и автор данной статьи А. В. Попов, был разработан теоретико-вероятностный подход к оценке информативных параметров эмиссии. Установлено, что на ранних стадиях деформирования поток сигналов АЭ КМ от микродефектов, случайным образом распределённых по объему ВС, имеет пуассоновский характер. С ростом нагрузки объединение микродефектов в трещину КМ нарушает пуассоновское распределение. Разработанный специалистами центра способ оценки процессов накопления повреждений КМ в ЛА и БПЛА основан на оценке изменения распределений числа актов АЭ на фиксированных интервалах времени в процессе деформирования КМ. Деформация КМ приводит к образованию макродефекта, характеристики потока импульсов становятся зависимыми. Объединение микродефектов ОК разрушает гипотезу пуассоновского распределения. Данное явление позволяет построить параметрические инварианты, справедливые для пуассоновского характера, и на этой основе оценить отклонение анализируемого процесса от пуассоновского (3):

Машиностроение и машиноведение

к = ;Si - ^3т2[х] - ^т4^[х] = ¹                              (3)

На основании уравнения (3) получим несколько выражений для определения степени отклонения потока импульсов АЭ от пуассоновского (4)–(7):

1₂ = т[х³] * т²[х] - 3т⁴[х] - т⁶[х] - т²[х] =1                          (4)

I₃ = m[x³] - 3m² [x] - m⁴[x] - 1 = 0

/₄= m[x³] * m²[x](3 - m²[x]) = 1

m[x⁵]-1 m²[x]

+ m2 [x] = 3

Построение инвариантных зависимостей на основании формул (3)-(7) производит экспериментально разработанный АПК (рис. 4), позволяющий осуществить многоканальную регистрацию, обработку и анализ значений нагрузок и деформаций; осуществлять видеонаблюдение и запись процесса испытаний и показаний аналоговых приборов при помощи видеокамер.

Рис. 4. Аппаратно-программный комплекс акустико-эмиссионной диагностики: 1 — высокочувствительный пьезоэлектрический датчик GT-300; 2 — предусилители виброакустического сигнала; 3 — аналого-цифровой преобразователь; 4 — ПЭВМ для обработки данных

Высокочувствительные пьезоэлектрические датчики GT-300 устанавливаются на контролируемую поверхность КМ. Информативные параметры о состоянии КМ с пьезоэлектрических датчиков поступают на предусилители виброакустического сигнала 2 . После усиления сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь, в котором происходит его преобразование из механической работы в электрическую. ПЭВМ служит для кластеризации и обработки принятых данных.

Результаты исследования. При помощи АПК и разрывной машины РМ-1 на базе ВУНЦ ВВС «ВВА» производили контроль углепластика КМУ-1, применяемого в производстве самолета ИЛ-96-300 и БПЛА «Орион». Основные характеристики КМУ-1 представлены в таблице 4:

Таблица 4

Характеристика углепластика КМУ-1

№ п/п	Пределы композита
1	Предел растяжения о"раст= 1020 МПа
2	Предел сжатия о"сжат= 400 МПа
3	Предел изгиба сгизг= 1100 МПа
4	Предел сдвига о"сдвиг= 30 МПа
5	Модуль Юнга растяжения Ераст= 180х10-3МПа
6	Модуль Юнга изгиба Еизг= 145х10-3МПа
7	Модуль Юнга сдвига Есдвиг= 3,5х10-3МПа

Для проведения испытаний поместили КМУ-1 в разрывную машину, предварительно установив на КМ датчики АЭ GT-300. Производили нагружение КМУ-1 при помощи АПК. Результаты нагружения представлены на рис. 5 (а, б, в):

Рис. 5. Результаты нагружения КМК-1: а) осциллограмма сигналов АЭ КМУ-1; б) режим работы АПК; в) проекция динамики нагружения РМ-1 КМ КМУ-1

На рис. 5 а изображена осциллограмма сигналов АЭ КМУ-1. Максимальное значение амплитуды АЭ ОК соответствует разрушению матрицы и волокон ОК ( U_max = 0,25 В).

На рис. 5 б представлен режим работы АПК. Здесь выделены три зоны — красная, желтая, зеленая. Красная зона характеризуется наличием ярко выраженных дефектов КМУ-1. Численное значение инварианта в пределах от 0,66 до 1 при t = 7–9 мин. Это свидетельство критически активного дефекта — стадия разрушения. Желтая зона — зона активного дефекта и стадии образования трещины (I=0,33–0,66; t = 4–7 мин). Зеленая — доброкачественная зона, характеризующая стадию микротрещин (I=0–0,33; t = 9–4 мин) [12, 13].

На рис. 5 в представлена проекция динамики нагружения РМ-1 КМ КМУ-1. Вследствие увеличения нагрузки (Р = 25,75,150 кгс/мм²) растет значение инварианта и амплитуды АЭ КМУ-1.

Обсуждение и заключения. Применение КМ является перспективным методом оценки технического состояния при проектировании различных ВС и БПЛА. Одно из основополагающих преимуществ КМ — облегчение массы конструкции по сравнению с традиционными материалами. Контроль и оценку технического состояния ВС и БПЛА необходимо производить перспективными методами НК, способными выявить различного рода дефекты на ранней стадии их развития. Этим требованиям отвечает метод акустической эмиссии. В перспективе можно установить экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса на многофункциональный истребитель пятого поколения Су-57 для осуществления диагностирования конструкции летательного аппарата в полете. Данная акустико-эмиссионная система позволит идентифицировать дефекты, возникающие в элементах конструкции воздушного судна на малой стадии их развития. Экспериментально разработанный образец аппаратно-программного комплекса позволяет оперативно в реальном масштабе времени регистрировать развивающиеся дефекты авиационных материалов, применяемых в конструкции летательных аппаратах и беспилотных летательных аппаратах.