В случае близости собственных частот колебаний лопастей к частотам внешних возбуждающих сил на лопастях, втулке несущего винта, в системе управления и на планере возникают повышенные нагрузки. Процесс отстройки металлических лопастей от близости к резонансу достаточно сложен и трудоемок из-за специфических свойств металлов. Большая трудоемкость производственных процессов изготовления металлических лопастей, чувствительность металлов к концентраторам напряжения, сложность обеспечения полопастной взаимозаменяемости и варьирования частотными характеристиками винта заставили конструкторов искать новые материалы для лопастей и методы их изготовления.
Темпы роста требований к летно-техническим характеристикам вертолета и качеству лопастей значительно опережают темпы повышения уровня физико-механических характеристик металлических материалов. Если за последние 50 лет прочность алюминиевых сплавов возросла на 20%, а конструкционных сталей и титановых сплавов на 25-30%, то модуль их упругости остался неизменным. В связи с этим специалисты ОКБ Камова обратили внимание на полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе стеклянных и углеродных волокон, которые имеют лучшие, чем металлы, удельные механические характеристики (табл.1). Именно применение ПКМ на основе стеклянных и углеродных волокон с одним, двумя и более наполнителями позволяет успешно решить сложнейшую задачу создания качественных лопастей. ПКМ с несколькими наполнителями получили название гибридных (ГПКМ).
Исследование возможности создания стеклопластиковых лопастей несущих винтов в ОКБ Камова начали в 1958 году с изучения физико-механических свойств этих материалов. Особое внимание уделялось усталостным характеристикам. Теперь уже известно, что механические свойства лопастей из ПКМ, и в частности, их усталостная прочность зависят от технологии их изготовления. Существенное значение при этом имеет режим приготовления связующего, пропитки ткани связующим и прессования лопасти.
Впервые в мире ПКМ, в том числе и гибридные, были применены для лопастей вертолетов ОКБ Камова. Сначала разрабатывалась конструкция и технология изготовления лопасти Б-7 из стеклопластика для легких вертолетов Ка-15 и Ка-18. Эти лопасти должны были заменить находящиеся в эксплуатации серийные деревянные. Конструирование лопасти Б-7 было, в основном, завершено в 1962 году. Из трех рассмотренных вариантов конструкции лопасти, представленных на рис. 1, был выбран последний.
Основным силовым элементом лопасти традиционно является полый лонжерон, внешняя поверхность которого выполнена по аэродинамическому контуру передней части лопасти. Лонжерон занимает 40% хорды. Изготавливается он горячим прессованием листов стеклоткани сатинового переплетения, пропитанной эпоксидным связующим, в специальной прессформе. Предваряющий данную завершающую операцию технологический процесс заключается в раскрое плоских листов ткани, пропитанной связующим, по шаблонам, дальнейшей их укладке на болванки в пакеты, предварительной опрессовке пакетов, дальнейшей их сборке на резиновой пресскамере с остальными элемента.ми конструкции лопасти, такими, как противообледенительная система, противофлаттерные грузы и др., создании равномерного давления пресскамерой на жесткую прессформу. Как выяснилось, этот простой и дешевый способ оказался наиболее эффективным и дающим возможность укладывать основу наполнителя под любым углом для получения необходимой жесткости лопасти в плоскости взмаха, вращения и при кручении, а также применять два или более наполнителя для тех же целей, не меняя при этом, аэродинамическую компоновку лопасти и ее массу. Также при этом способе легко достигается идентичность лопастей и, в конечном, счете, их полопастная взаимозаменяемость.
Задняя часть лопасти образована хвостовыми секциями, приклеенными к лонжерону. Каждая секция состоит из стеклопластиковой обшивки и пенопластового заполнителя. Лопасть сравнительно легко поддается доводке, требуемой по результатам. стендовых и летных испытаний. Не меняя конструкции, размеров и массы лопасти, можно, варьируя силовым набором лонжерона, получать требуемые ее жесткостные и частотные параметры.
Приоритет ОКБ Камова в создании конструкции и способа изготовления лопастей из полимерных композиционных материалов подтвержден авторским свидетельством № 431733 от 27 мая 1963 года. Впоследствии были получены патенты в пяти ведущих в области авиации странах: США, Англии, Франции, Германии и Италии.
Рис. 1. Варианты конструкции стеклопластиковых лопастей
Показатель
|
Сталь
|
Алюминиевый сплав АВАТ
|
Стеклопластик Э
|
Стеклопластик ЭФ 32-301
|
Стеклопластик
|
Углепластик
|
Плотность ρ, г/см³
|
7,85
|
2,8
|
1,85
|
1,85
|
1,95
|
1,4
|
Предел прочности σ-1 даН/мм²
|
110
|
33
|
38
|
50
|
100
|
80
|
Предел выносливости σ-1 даН/мм²
|
30
|
6,5
|
12
|
18
|
40
|
|
Модуль упругости. даН/мм²
|
21000
|
7200
|
2750
|
3500
|
5000
|
15000
|
σ-1/ρ * 10-7, даН * см/(см²*г)
|
14,0
|
11,8
|
20,5
|
27,0
|
51,3
|
57
|
(Е/р) *10-4, даН * см/(см²*г)
|
26,7
|
26,7
|
14,9
|
18,9
|
25,6
|
107,1
|
(σ-1/Е) * 10 3
|
1,43
|
0,9
|
3,4
|
3.6
|
2,7
|