Эдмунд Цихош - Сверхзвуковые самолеты
Первые опыты использования клея как материала, соединяющего металлические части авиационных конструкций, были проведены еще перед второй мировой войной. Однако только военные и особенно послевоенные годы стали периодом быстрого прогресса и важных достижений в этой области. Одним из факторов, побуждавших к развитию этих работ, были недостатки казеиновых клеев, широко использовавшихся в деревянных конструкциях. Чувствительность авиационных конструкций на этих клеях к атмосферным воздействиям особенно дала о себе знать во время суровой зимы 1939/40 г. Это дало толчок работам над синтетическими клеями, что привело к разработке новых составов с высокими адгезионными свойствами.
Интенсивное развитие исследований синтетических клеев для деревянных конструкций сопровождалось попытками использования их для соединения металлических деталей. В послевоенный период (особенно в 50-е годы) потребности авиации в области разнородных конструкционных материалов высокого качества и их соединения возросли. Это привело к постепенному отказу от старых способов соединения при помощи заклепок и винтов и к промышленному освоению склеивания высокона- груженных элементов конструкции планера самолета.
Соединения металлических деталей авиационных конструкций с помощью винтов или заклепок оказываются ослабленными из-за большого количества отверстий, а непрерывность нагружения при этом нарушается. Клепаным соединениям сопутствуют деформации поверхности обшивки вблизи головок заклепок, а также волнистость как следствие принципа точечного соединения. На краях отверстий при этом возникает существенная концентрация напряжений. В результате теплового и механического воздействия в процессе клепки материал на кромках отверстий становится хрупким и приобретает склонность к старению. Концентрация напряжений и охруп- чивание материала увеличивают опасность усталостного разрушения. Применение сварки вместо клепки приводит ввиду необходимости высокой температуры к появлению местных напряжений и деформаций, к структурным изменениям материала вблизи сварного шва и опасности усталостного разрушения. Эти неблагоприятные явления можно в значительной степени устранить, применяя склеивание металлических элементов конструкции.
Склеивание как метод соединения металлических деталей имеет конструктивные, технологические и эксплуатационные достоинства, а именно:
– применение склеивания часто устраняет серьезные конструктивные трудности и позволяет соединять различные сплавы, не опасаясь коррозии;
Рис. 1.38. «Супер-Сейбр» F-100.
1 -антенна радиолокационного дальномера; 2-электронное оборудование; 3-отбор охлаждающего воздуха из воздухозаборника; 4-перепускная створка воздухозаборника; 5-воздушный канал; 6-ниша выхода ствола пушки; 7 – узел крепления пушки; 8 – пушка; 9-снарядный ящик; 10-прицел; И – внешние замки открывания фонаря кабины экипажа; /2-баллон кислорода; 13-клапан давления в кабине; 14-антенна радиокомпаса; 15-створка отвода воздуха; 16- крышка отсека агрегатов гидравлической системы; 17-горловина для заправки топлива; 18-штепсельные разъемы заземления на время заправки топливной системы; 19-топливный бак; 20-двигатель; 27-предохранительный воздушный клапан компрессора двигателя; 22-плоскость разъема фюзеляжа; 23-люки накидных болтов для соединения частей фюзеляжа; 24-форсунки форсажной камеры; 25-регулируемое многостворчатое сопло; 26-приводы регулирования сопла; 27-задний узел крепления двигателя; 28-контейнер тормозного парашюта; 29- узел крепления парашюта; 30-дренаж топливных баков; 31 -гидроусилитель руля направления; 32-ги- дроусилитель элеронов; 33-тяга системы управления элеронами; 34-элерон; 35-управляемый дифференциальный стабилизатор; 36 -тормозной щиток; 37-передняя стойка шасси с управляемыми колесами; 38-главные стойки шасси; 39-люки шасси; 40-подвесной топливный бак емкостью 1040 л; 41 -габаритные огни; 42-предкрылки; 43-обшивка крыла; 44-узлы навески предкрылков; 45-убираемая хвостовая пята; 46-приемник воздушного давления; 47-канал тяг дистанционной системы управления; 48 -люк узлов демонтажа двигателя.
Рис. 1.39. «Хастлер» В-58.
– клеевое соединение превосходит всякое другое с точки зрения гладкости и чистоты поверхности, не ослабляет сечение и не приводит к возникновению концентрации напряжений в стыке;
– в сравнении со сварными либо с твер- допаяными соединениями при склеивании не возникает структурных изменений и сварочных напряжений, так как температура затвердевания клея не превышает 140-260°С в зависимости от сорта клея и времени отверждения;
– правильно выполненное клеевое соединение обеспечивает равномерное распределение напряжений в стыке и позволяет получить прочность соединения, равную прочности соединяемых элементов;
– клеевые соединения обеспечивают снижение массы почти на 25% в сравнении с клепаными соединениями ввиду отсутствия головок заклепок и уменьшения сечений (ввиду отсутствия ослабления отверстиями) соединяемых элементов;
– существенное снижение стоимости изготовления при склеивании ввиду простоты технологии и возможности широкого применения механизации и автоматизации процесса изготовления клееных конструкций, а также использования персонала более низкой квалификации;
– отсутствие коррозии во время эксплуатации клееных конструкций в отличие от клепаных, в которых всегда существует опасность проникновения влаги в имеющиеся или образовавшиеся зазоры между заклепками и листами обшивки.
Клеи на основе смол обеспечивают хорошую электроизоляцию, благодаря чему исключается опасность контактной коррозии при соединении металлов с разными электрическими потенциалами.
Однако клеевые металлические соединения имеют и недостатки:
– использование метода склеивания требует приспособления конструктивных решений к технологическим процессам склеивания и применения соответствующих материалов с учетом температуры этих процессов и возможности надлежащей подготовки поверхности;
– прочностные свойства клеев невысоки в сравнении с прочностью металлов и классических средств соединения; особенно низка прочность клея на отрыв, что влияет на выбор основного типа клеевого соединения: исключаются соединения встык и применяются фактически только соединения внахлестку.
Наиболее широкое применение клеевые соединения нашли главным образом в нагруженных тонкостенных элементах, требующих дополнительного ужестче- ния. В обшивке крыла такими местными элементами жесткости служат нервюры и лонжероны, а в обшивке фюзеляжа- шпангоуты, лонжероны и стрингеры. Склеивание повышает жесткость конструкции и в ряде случаев позволяет обойтись без конструктивных элементов жесткости. Так были созданы многослойные конструкции, состоящие из нескольких (чаще всего из трех) слоев материалов с различными свойствами. Внешний слой (обшивка) является основным рабочим элементом и изготовляется из высокопрочных материалов, внутренний слой (наполнитель) играет роль жесткостного элемента и изготовляется обычно в виде ячеистой конструкции. Наполнитель приклеен либо припаян к обшивке в зависимости от уровня температур конструкции во время полета, а также от термостойкости клея.
Как уже указывалось, характерной чертой многослойных конструкций является их значительно более высокая жесткость в сравнении с обычной обшивкой. Это позволяет выполнять обшивку самолета без продольных элементов жесткости даже при увеличении расстояния между нервюрами (шпангоутами). Высокая устойчивость таких конструкций позволяет применять наружный слой малой толщины, что приводит к уменьшению массы планера. Например, в сверхзвуковых самолетах, построенных с применением клепаных соединений, толщина обшивки крыла достигает 8-3 мм, в то время как толщина наружного слоя соответствующей клееной конструкции составляет ~ 1 мм.
В первых сверхзвуковых самолетах методом склеивания выполнялись передние кромки крыла, элероны, рули, закрылки, тормозные щитки, крышки ниш шасси и т.п. Первым же сверхзвуковым самолетом с широким применением клееных конструкций, о котором сообщалось в печати, был В-58. Поскольку клеевые соединения в этом самолете должны были выдерживать большие нагрузки и работать в тяжелых температурных условиях полета со сверхзвуковыми скоростями, то уже на стадии проектирования было исследовано (для выбора оптимальной конструкции планера) свыше двух десятков конструкций обшивок различных типов. Эти исследования показали, что клееная многослойная обшивка с ячеистым (сотовым) наполнителем имеет наилучшие характеристики. Она обеспечивает аэродинамически гладкую поверхность при больших напряжениях и повышенных температурах, позволяет упростить и удешевить конструкцию, улучшить герметичность топливных баков-отсеков и их теплоизоляцию. Кроме того, применение клееных элементов повышает устойчивость конструкции по отношению к вибрациям высокой частоты, вызываемым работой турбореактивных двигателей, а также усталостную выносливость.
