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

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.

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 преимущества и недостатки КМ

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

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, СК9ФА, 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:

где 𝑚_пл^т — масса i-й части планера из традиционных материалов; 𝑚_пл^к — масса i-й части планера из композиционных материалов; 𝑚 — масса традиционных материалов; 𝜑𝑖 — коэффициент, учитывающий отношение масс традиционных и композиционных материалов, значения которого лежат в диапазоне 0 ≤ 𝜑𝑖 ≤ 1; 𝜀𝑖 — коэффициент массового достоинства КМ, равный отношению массы элементов i-й части планера из КМ к массе i-й части из традиционных материалов 

Если ∆𝑚_𝑛 > 0, то 𝑚_пл^к < 𝑚_пл^т — 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].

Таблица 2

Классификация и характеристика дефектов КМ

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].

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

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):

(3)

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

(4)

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.

Высокочувствительные пьезоэлектрические датчики GT-300 устанавливаются на контролируемую поверхность КМ. Информативные параметры о состоянии КМ с пьезоэлектрических датчиков поступают на предусилители виброакустического сигнала². 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

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):

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 (𝑃 = 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.