Из какого материала делают самолеты

Материалы для самолетов претерпели существенные изменения за 100 лет существования авиации — от полотняных аэропланов в начале прошлого века до современных стальных птиц.

Немного истории

Первые самолеты, созданные братьями Райт в США в 1903 году, а также «Вуазен» во Франции в 1905 году, «Блерио» во Франции в 1906 году и «Рой» в Англии в 1908 году, были сделаны из тонких стальных труб, покрытых тканью, или имели деревянную конструкцию и тканевую обшивку. Следующим этапом улучшения конструкции самолета была замена тканей на обшивку из фанеры. Для увеличения прочности фанерных конструкций они стали делать из нескольких слоев, скрепленных клеем.

Деревянные конструкции были неуклюжими и сопротивлялись во время полета. Но со временем и увеличением скоростей самолетов, нагрева конструкций и элементов двигателей, их использование стало опасным. Конструкторы стали заменять деревянные детали на металлические. Однако полностью металлические самолеты появились не сразу.

Несовершенная технология производства металла на первых этапах его применения в авиации, делала конструкции из него, тяжелее деревянных, поэтому переход на металл происходил не быстро. Первые пробные аэропланы целиком из металла были изготовлены немцами в начале второго десятилетия прошлого века. По весу они превышали деревянные конструкции в несколько раз, и их летные данные оставляли желать лучшего.

Многие самолеты, примененные в Первой мировой войне (1914-1918), были сделаны из дерева с обшивкой из ткани.

Развитие металлических самолетов после войны было обусловлено появлением пассажирской авиации, которая требовала производства большого количества долговечных самолетов. Деревянные конструкции были неустойчивы к неблагоприятным атмосферным явлениям, таким как влага и температура, и начинали подгнивать, что быстро приводило к их выходу из строя и не соответствовало требованиям гражданской авиации.

Множество ученых из разных стран работали над улучшением металлических материалов для авиастроения и разработкой соответствующих технологий. Андрей Николаевич Туполев является одним из главных основателей металлического самолетостроения в СССР.

В 1930-х годах металл полностью заменил дерево в конструкции самолетов. Однако в некоторых случаях дерево использовалось еще некоторое время. Например, в конструкциях советских истребителей Лагг-3, И-16, Як-1 и других, которые участвовали в Великой Отечественной войне, применялись деревянные элементы. Это было сделано с целью экономии, так как деревянные конструкции оказывались дешевле металлических.

С приходом реактивной авиации в 1950-х годах деревянные конструкции самолетов устарели.

Нагрузки, воздействующие на самолет

Для понимания материалов, используемых в производстве самолетов, необходимо изучить каждую конструктивную составляющую и определить, какие нагрузки она выдерживает. Основными частями конструкции самолета являются:

• фюзеляж;
• крылья;
• хвостовое оперение;
• двигатель;
• шасси.

Каждая часть самолета выполняет свою функцию. Фюзеляж объединяет все элементы конструкции. Крылья создают подъемную силу. Двигатели обеспечивают тягу для полета. Хвостовое оперение гарантирует горизонтальную и вертикальную управляемость. Шасси необходимо для взлета и посадки.

Во время полета и на земле все элементы самолета подвергаются специфическим нагрузкам.

Нагрузки, которые испытывает самолет, подразделяются на разные виды.

1. нагрузки от воздействия набегающего потока воздуха при различных скоростях полета самолета и при его маневрах (подъемная сила и сила лобового сопротивления);
2. весовые нагрузки, за счет веса бортового оборудования, топлива, пассажиров, полезного груза, двигателей, шасси и др.;
3. инерционные нагрузки, связанные с инерцией, которую набирают элементы конструкции самолета и груз при изменении скоростей;
4. термические нагрузки, возникающие под воздействием скоростного напора воздуха, а также внутри работающего двигателя.

Реактивным самолетам кроме всего прочего важно учитывать звуковую нагрузку, вызванную работой двигателя.

Потому как прилагаются эти нагрузки их можно подразделить на те, что влияют сразу на многие части самолета, и на те, что сосредоточены в определенном месте. Кроме того, есть нагрузки, которые действуют постоянно, с определенной динамикой или частотой.

При изготовлении составных частей самолета учитывается воздействие нагрузок на них, и выбираются соответствующие материалы. Важным критерием при выборе материалов является их минимальный вес при равных характеристиках.

Материалы, из которых делают самолет

Для изготовления самолетов используются различные металлы, сплавы и композиционные материалы. Рассмотрим основные принципы работы с этими материалами.

Алюминий

Материал для создания самолетов — алюминий и его сплавы. Он выбран из-за своего легкого веса и возможности изменять свои свойства с помощью добавок.

Используют дуралюмин для создания планеров, которые подвергаются небольшим аэродинамическим нагрузкам. Дуралюмин — это алюминиевый сплав, содержащий медь, марганец и магний, который обладает высокой прочностью. Для оболочек планера и силовых элементов скелета самолета, которые подвергаются термическим нагрузкам, используются сплавы алюминия повышенной жаропрочности с добавлением магния. Такие сплавы также применяются для создания отдельных элементов конструкции двигателя, которые работают в умеренном тепловом режиме (лопатки, крыльчатки, диски компрессора первого контура).

Сплавы из алюминия с добавлением кремния применяются для литья сложных деталей с небольшой нагрузкой. Они обладают хорошей текучестью и заполняемостью в нагретом состоянии. Их используют для производства кронштейнов, рычагов, фланцев, а также для изготовления некоторых частей двигателя, таких как корпуса компрессоров, картеры и патрубки.

Алюминиевые конструкции занимают до 80% общей массы самолета.

Титан

Титан и его сплавы имеют особый интерес в авиастроении за их способность выдерживать высокие температуры.

Корпусы сверхзвуковых самолетов, передние края крыльев и стабилизаторы изготавливаются из титана. Титановые сплавы широко используются в конструкциях шасси, узлах крепления закрылков и силовых элементах. В реактивных двигателях из титана делают детали, которые подвергаются высоким температурам, такие как лопатки компрессоров, диски компрессоров второго контура, кожухи камер сгорания и сопла реактивных двигателей.

Сталь

Сталь — это сплав железа и углерода, который широко используется для создания самолетов. В авиации применяется конструкционная сталь, содержащая от 0,05 до 0,55% углерода. Из этого материала изготавливают отдельные элементы силовой конструкции, детали шасси, болты и заклепки. Жаропрочная сталь используется для изготовления обшивок самолетов, которые развивают большие скорости.

Композиционные материалы

Композиты, содержащие армирующие материалы, нашли широкое применение при производстве самолетов. Органические волокна используются в качестве армирующих материалов, а различные металлические сплавы — в качестве основы.

Детали, изготовленные из композитов, обладают небольшим весом, могут выдерживать высокие температуры. Их используют для изготовления обшивок крыла, оперения, створок шасси, радиопрозрачных обтекателей и др.

Необходимо учитывать важность резины и пластмасс при производстве материалов для самолетов. Резина используется для создания колес шасси, трубопроводов, шлангов, уплотнителей и амортизаторов, а также для прокладок. Различные виды пластмасс применяются для создания силовых элементов самолетной конструкции, остекления кабины пилота, декоративной отделки пассажирского салона, а также для тепло- и электроизоляции. Некоторые виды химически стойких пластмасс используются для изготовления топливных баков.

Пожалуй, мы рассмотрели все основные наиболее используемые для производства самолетов материалы. То, из какого металла делают самолеты, во многом отражается и на их летных возможностях. Так, легкие алюминиевые сплавы используются для производства планеров дозвуковых самолетов, титан и сталь – для достижения сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростей.

Важной характеристикой авиационных материалов является технологичность — способность к серийному производству. Самолеты изготавливаются большими партиями, поэтому все детали должны быть изготовлены многократно без потери своих свойств.

Разрабатывают специальные технологические процессы, которые изменяют свойства материала на всех этапах производства, чтобы получить материал с необходимыми свойствами. Технологические процессы для изготовления материалов для самолетов стандартизированы, что обеспечивает одинаковые свойства продукции. Изготовление материалов для авиации, конструктивных элементов самолета и его сборка происходят на авиастроительных заводах.

Основные авиазаводы России

Авиазаводы в России расположены очень разнообразно — от западных границ до Дальнего Востока. Для того чтобы узнать, где именно производятся самолеты, нужно взглянуть на карту.

Иркутский авиационный завод

Самолеты из композиционных материалов

В авиастроении началась эра создания и применения искусственно созданных композиционных материалов. Их основу составляют волокна стали, стекла, графита, а также нитевидные кристаллы окиси алюминия и железа. Матрица материала может быть выполнена из сплавов металлов (алюминия, титана, магния) или синтетических смол (например, эпоксидной или полиэфирной). После соединения основы и матрицы путем прессования, литья или других способов, композитный материал приобретает новые характеристики, которые привлекают авиаконструкторов.

Около пятой части веса деталей, изготовленных из композитных материалов, соответствует массе таких же деталей из алюминия. Однако композиты обладают лучшими эксплуатационными характеристиками, так как они более прочные и гибкие. Кроме того, композиционные материалы не содержат вредных веществ, а изделия из них не требуют особого ухода.

В авиастроении композиты применяются очень широко – при производстве высоконагруженных деталей и двигателей. Если посмотреть на долю использования композиционных материалов, скажем, в Боингах, то в самых ранних моделях их порядка 5%. Сейчас доля композитов в общей массе самолетов компании может доходить до 50%. Кроме того, в компании смело экспериментируют с металлами, создавая новые композиции с уникальными свойствами. К примеру, microlattice из никеля и фосфора, занесенный в Книгу рекордов Гиннеса как самый легкий металл в мире – он весит в 100 раз меньше, чем пенопласт. Предполагается, что в дальнейшем из microlattice можно будет сделать и искусственное легкое, и крыло самолета.

Результаты экспериментов, хоть и кажутся необычными, имеют практическое применение. Материалы для авиастроения должны обладать множеством свойств, но при этом не стоить слишком дорого. Подобных материалов немного, поэтому идет поиск новых композитов, но все еще используются сталь и алюминий, которые уже сто лет назад были невероятными материалами для полетов.

А вы знали из какого материала сделаны самолеты

При изготовлении самолетов, как больших, так и легкомоторных, используют металл. Однако неизвестно, из какого металла делают самолеты, и это волнует многих.

Для производства самолетов неподходящ обычный металл. Нельзя просто взять сталь или обычный алюминий. Для обшивки кузова используют дюралюминий. Этот материал был изобретен давно, а в СССР в 1940-ых годах его называли дюралюминием.

Данное слово неправильное, но это не меняет сути. Этот металл отличается от обычного алюминия повышенной прочностью.