航空材料研究院是俄羅斯的國家級科研機(jī)構(gòu)，擁有雇員700人，下設(shè)11個(gè)分部。每個(gè)分部下設(shè)5 — 6個(gè)研究室。主要科研活動(dòng)包括：航空航天材料和基礎(chǔ)原料的研究；新材料的探索研究、基礎(chǔ)研究和新材料測試，以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)、飛艇和航空儀表生產(chǎn)工藝研究；航空航天材料在飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)、航天器和運(yùn)載工具上的應(yīng)用研究；制定航空航天材料標(biāo)準(zhǔn)。
概述
全俄航空材料研究院具體研究內(nèi)容包括合金理論；疲勞斷裂機(jī)理；結(jié)構(gòu)鋼和結(jié)構(gòu)合金；鋁合金、鈦合金和鎂合金；、鈦和高強(qiáng)度鋼等合金的焊接工藝；聚合物和金屬基復(fù)合材料、隔熱材料及耐磨損材料等；提高材料性能的途徑和測試方法；制定合金和非金屬材料無損檢測及力學(xué)試驗(yàn)方法。
生產(chǎn)及應(yīng)用情況
全俄航空材料研究院，航空工藝研究院以及奧布林斯克研究及生產(chǎn)企業(yè)與俄羅斯航空工業(yè)設(shè)計(jì)局開發(fā)了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料生產(chǎn)及產(chǎn)品制造技術(shù)。
1976年，巴拉科沃纖維聯(lián)合股份公司開始了碳纖維復(fù)合材料的批生產(chǎn)。此后，全俄航空材料研究所開發(fā)了20余種力學(xué)性能、工藝性能和工作范圍不同的結(jié)構(gòu)用碳纖維復(fù)合材料。近年該研究院對碳纖維復(fù)合材料的性能進(jìn)行了很大改進(jìn)，最多改進(jìn)了2倍。拉伸強(qiáng)度提高200MPa、壓縮強(qiáng)度150MPa，剪切及疲勞強(qiáng)度達(dá)到500MPa，彈性模量達(dá)到200GPa，工作溫度可達(dá)到400℃。
與此同時(shí)，全俄航空材料研究院還與俄羅斯科學(xué)院及航空工業(yè)的一些主要設(shè)計(jì)局研究解決了碳纖維復(fù)合材料及其制品生產(chǎn)中的各種基礎(chǔ)理論、應(yīng)用、工藝及管理方面的問題，同時(shí)解決了用這些材料來設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及在零件上應(yīng)用方面的問題。
全俄航空材料研究院與中央空氣動(dòng)力學(xué)研究院及航空航天工業(yè)的主要設(shè)計(jì)局共同努力積累了用碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)。
在俄羅斯一些飛機(jī)制造企業(yè)建立了碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)車間，有烏里揚(yáng)諾夫航空生產(chǎn)聯(lián)合企業(yè)、沃尤涅茨飛機(jī)制造聯(lián)合股份公司、魯克霍維茨機(jī)械制造廠、庫默塔阿申涅耶夫航空生產(chǎn)協(xié)會以及奧布林斯克研究及生產(chǎn)企業(yè)。這些生產(chǎn)單位都配備了專用的生產(chǎn)設(shè)備。例如，預(yù)浸帶及織物預(yù)浸裝置、壁板及大尺寸結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鋪帶設(shè)備、可在15個(gè)大氣壓及300℃進(jìn)行固化的大尺寸熱壓罐、纖維纏繞機(jī)、拉擠機(jī)以及超聲無損檢測設(shè)備。這些設(shè)備都屬現(xiàn)代化的設(shè)備。
碳纖維復(fù)合材料在俄羅斯飛機(jī)上的應(yīng)用過程與西方基本相似，首先在安-24、安-22、雅克?40和伊爾-86等飛機(jī)上用于一些次要結(jié)構(gòu)件以考驗(yàn)其性能，得到的數(shù)據(jù)表明碳纖維復(fù)合材料有良好的可靠性及減重效果。于是逐漸擴(kuò)大應(yīng)用到新一代飛機(jī)上如米格戰(zhàn)斗機(jī)29上，用量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的7%，用于垂尾，減速板等次要結(jié)構(gòu)，用量已超過F-16戰(zhàn)斗機(jī)飛機(jī)。起飛重量超過美國C-5A的安-124遠(yuǎn)程運(yùn)輸機(jī)是成功應(yīng)用復(fù)合材料的另一例子，全機(jī)用了5500kg復(fù)合材料，1500m2機(jī)體表面采用了復(fù)合材料，單此一項(xiàng)可減重1800kg。其他如安-72、安-225運(yùn)輸機(jī)、圖-160轟炸機(jī)、雅克-42固定機(jī)翼干線飛機(jī)；蘇29和蘇-31體育飛機(jī)；俄羅斯米-28浩劫武裝直升機(jī)、卡-32直升機(jī)以及Д-36、Д-18、ПС-90渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)都用了大量復(fù)合材料。
正在開發(fā)的新一代機(jī)種，復(fù)合材料用量更大。值得一提的有雅克-141戰(zhàn)斗機(jī)，其復(fù)合材料用量達(dá)到26%，用于機(jī)翼、尾翼及部分機(jī)身。與AV－8B的水平大致相當(dāng)。
根據(jù)俄羅斯新近出版的資料分析，S－37復(fù)合材料的用量占結(jié)構(gòu)重量的21%，由于它是前掠翼戰(zhàn)斗機(jī)，機(jī)翼90%采用了復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)彈性剪裁，即當(dāng)機(jī)翼前緣在升力作用下向上彎曲時(shí)，通過復(fù)合材料鋪層控制可使前緣向下扭轉(zhuǎn)。在這種情況下，如果采用金屬機(jī)翼則有可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的破壞。此項(xiàng)技術(shù)在80年代中期的X-29及90年代的蘇霍伊航空集團(tuán)驗(yàn)證機(jī)上得到驗(yàn)證。在1.42戰(zhàn)斗機(jī)上，復(fù)合材料用量在原型機(jī)上占16%，在生產(chǎn)型上占30%。
另一個(gè)引人注目的是卡-50武裝直升機(jī)上的復(fù)合材料的應(yīng)用。卡-50是蘇聯(lián)根據(jù)阿富汗戰(zhàn)場的經(jīng)驗(yàn)研制用來代替米-24的機(jī)種，要求機(jī)體90%部位能抗12.7mm機(jī)槍的射擊，它的主承力機(jī)身結(jié)構(gòu)及旋翼都用了碳纖維復(fù)合材料，卡-50的裝甲座艙安裝在復(fù)合材料盒形梁上，梁是一個(gè)主承力構(gòu)件，由5層復(fù)合材料制成，外層為10mm厚的碳/環(huán)氧，內(nèi)外兩層為20mm的芳綸/環(huán)氧，兩者之間的一層為15mm的Nomex蜂窩/環(huán)氧，整個(gè)厚度達(dá)75mm。據(jù)報(bào)道，卡-50武裝直升機(jī)可以抗12.7mm機(jī)槍及23mm航空機(jī)炮的射擊。
在西方武裝直升機(jī)上，復(fù)合材料用量也不少，但像卡-50那樣在機(jī)身上用如此多復(fù)合材料還不多見。復(fù)合材料在卡-50的結(jié)構(gòu)重量中占3%～5%，而西方直升機(jī)上的防彈標(biāo)準(zhǔn)只是針對7.62mm機(jī)槍設(shè)計(jì)的。
由于復(fù)合材料特別是碳纖維復(fù)合材料在俄羅斯機(jī)種上的使用，減少了50%的構(gòu)件數(shù)，取消了部分鉆鉚工序，減少12%～15%的勞動(dòng)量，生產(chǎn)周期縮短20%～50%。
Ⅰ飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量成比例下降，Ⅱ連鎖效應(yīng)，
Ⅲ復(fù)合材料經(jīng)濟(jì)可行性，Ⅳ飛機(jī)性能全面改進(jìn)
圖2 俄羅斯飛機(jī)復(fù)合材料用量
技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益
復(fù)合材料引入飛機(jī)的直接效果自然是減重，減重的大小又取決于復(fù)合材料的力學(xué)性能及其在結(jié)構(gòu)重量中所占的百分比，這個(gè)百分比在俄羅斯飛機(jī)上已達(dá)到30%左右，不久可能達(dá)到40%。如果按體積計(jì)，60%將可能是復(fù)合材料；機(jī)體表面的80%是復(fù)合材料。
復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量比中占多少為宜？據(jù)報(bào)道，這主要取決于使用的可行性即經(jīng)濟(jì)性。這里有一個(gè)最低的即臨界的極限，此極限取決于飛機(jī)的類型及其所承擔(dān)的任務(wù)，因此其伸縮范圍大。例如對機(jī)體來說，這個(gè)極限下限為20%～25%。超過臨界極限就可產(chǎn)生減重的連鎖效應(yīng)：表現(xiàn)為飛機(jī)起飛重量減少，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)重量的減少，從而降低油耗及燃油重量。這樣一來降低了起落架的載荷從而降低其構(gòu)件重量。而發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架、燃油箱重量的降低又會改善氣動(dòng)阻力系數(shù)，進(jìn)一步降低油耗，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量進(jìn)一步降低。連鎖效應(yīng)的結(jié)果最后使飛機(jī)起飛重量進(jìn)一步再降低。
圖2所示為俄羅斯機(jī)種上的復(fù)合材料的力學(xué)性能及其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量百分比(G復(fù)/G飛機(jī))與飛機(jī)減重(G飛)之間的關(guān)系。圖中的R為單層碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度。從圖中可以看出，像米格－29這樣的飛機(jī)，使用的復(fù)合材料強(qiáng)度只有1000MPa，減重效果不大，材料強(qiáng)度1500MPa才開始有減重的連鎖效應(yīng)(伊爾96-300)，圖中的影線為“臨界極限”區(qū)，減重效應(yīng)有重大的增加(如S-37那樣)。強(qiáng)度達(dá)到3000MPa，飛機(jī)性能全面改進(jìn)。
在全俄航空材料研究院，目前正在對碳纖維復(fù)合材料成分及結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，研究了納米技術(shù)，隱身材料技術(shù)以及環(huán)保節(jié)能技術(shù)，從而導(dǎo)致開發(fā)出一系列新的層合板材料及混雜纖維復(fù)合材料，這些材料將在21世紀(jì)獲得應(yīng)用。
參考資料 >