трубопровод летательного аппарата

Формула изобретения

1. Труба, входящая в состав системы трубопроводов летательного аппарата, отличающаяся тем, что она изготавливается из композитного материала, содержащего матрицу на основе геополимерной смолы, усиленной волокнами.

2. Труба, входящая в состав системы трубопроводов летательного аппарата, по п.1, отличающаяся тем, что она изготавливается из композитного материала на основе волокон, залитых геополимерной смолой типа сиаллит (xSiO₂, AlO₂), в котором х находится в диапазоне или равен 1,75 и 50.

3. Труба, входящая в состав системы трубопроводов летательного аппарата, по п.2, отличающаяся тем, что с волокон было, по меньшей мере, частично устранено замасливание перед пропиткой геополимерной смолой.

4. Трубопровод летательного аппарата, содержащий, по меньшей мере, одну трубу по любому из пп.1-4.

5. Трубопровод летательного аппарата по п.4, отличающийся тем, что содержит две трубы, изготовленные из композитного материала, содержащего матрицу на основе геополимерной смолы, усиленную волокнами, при этом в, так называемой внутренней, первой трубе (26) возможно перемещение текучего вещества, при этом данная внутренняя труба (26) располагается внутри второй, так называемой внешней, трубы (28).

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к трубопроводу летательного аппарата; при этом данный трубопровод может располагаться, в частности, в зоне воздействия повышенных температур, например, в зоне тяговооруженности летательного аппарата.

Система тяговооруженности летательного аппарата содержит множество труб, обеспечивающих подачу различных жидких или газообразных веществ, при этом совокупность этих труб в дальнейшем будет называться системой трубопроводов.

Принимая во внимание, какую большую часть топливо составляет в эксплуатационных расходах летательного аппарата, конструкторы стремятся уменьшить массу летательных аппаратов с целью сокращения расхода топлива, в частности, за счет применения композитных материалов при изготовлении элементов систем трубопроводов.

Эти композитные материалы состоят из волокон, в частности, углерода, графита, базальта, арамида или стекла, залитых, например, матрицей, содержащей органическую, термопластичную или термоотверждаемую смолу, такую как, например, эпоксидная смола. В зависимости от обстоятельств волокна могут быть представлены в виде ткани или полотна, имеющего несплетенную структуру.

Для того чтобы эти волокна в последующем могли использоваться, на них, как правило, наносится покрытие. Действительно, в процессе изготовления этих волокон состояние их поверхности ухудшается, что негативно сказывается на адгезивных свойствах органических смол. Кроме того, производство операций с волокнами, находящимися в необработанном состоянии, например, в процессе ткачества, осуществляется аккуратно, поскольку волоконца отделяются от основного пучка. Также с целью восстановления состояния поверхности производится обработка сухих волокон, после чего на них наносится покрытие из органической смолы, которая улучшает химическую адгезию в ходе последующей пропитки. Такое нанесение покрытия называется замасливанием. Поступающие в продажу замасленные волокна гладкие и готовы к применению.

Для применения замасленных волокон и эпоксидных смол были разработаны промышленные технологии. Эти технологии обеспечивают контролируемый характер процесса и позволяют добиться, чтобы расходы по изготовлению этих деталей были совместимы с расходами по производству аналогичных металлических деталей.

Кроме того, конструктивные элементы, выполненные из композитных материалов, обладают механическими характеристиками, которые, по меньшей мере, такие же, как и механические характеристики металлических деталей, но при этом они явно легче металлических изделий.

В то же время использование композитных материалов при изготовлении частей системы трубопроводов в отдельных случаях может создать проблемы, в частности, когда данные элементы располагаются в зонах, которые могут быть подвержены воздействию повышенных температур, например, свыше 500ºС. В частности, это относится к системе трубопроводов в районе двигателя. Кроме того, при таких температурах трубы, выполненные из композитных материалов на основе органической смолы, теряют свои механические свойства и становятся пористыми, что выражается в снижении надежности данных труб.

При компоновке двигателя, как правило, учитывается возникающая при повышенных температурах недостаточная надежность труб, изготовленных из композитных материалов, в связи с чем в нее включаются, например, огнестойкие отражатели для ограничения распространения теплоты в направлении труб. Однако такое решение не может считаться удовлетворительным, поскольку оно приводит к усложнению конструкции двигателя, а выигрыш по массе, обусловленный использованием труб из композитного материала, почти сводится к нулю в результате использования дополнительных отражателей.

В интересах безопасности производится дублирование труб, а именно, как это показано на фиг.1, основная труба 10, называемая также внутренней трубой, размещается внутри второй трубы 12, называемой внешней трубой. Таким образом, даже в случае образования протечки во внутренней трубе жидкое вещество, циркулирующее во второй трубе, продолжает подаваться в органы, для которых она предназначена.

В случае использования композитных материалов для изготовления внутренней трубы 10 последняя размещается в выполненной из титана внешней трубе 12 для ее защиты, в частности, от повышенных температур.

Однако такое решение не считается удовлетворительным по следующим причинам: использование титана для изготовления внешней трубы ведет к утяжелению системы трубопроводов и удорожанию их производства.

Кроме того, сочетание различных материалов при изготовлении внутренней и внешней труб, обладающих различными механическими и структурными характеристиками, приводит к возникновению многочисленных проблем в процессе конструирования. Так, необходимо предусмотреть системы 14 повторения относительных перемещений (поступательного и вращательного движений) между трубами и комплексными системами сопряжения или крепления, которые позволяют учитывать разницу расширений между двумя трубами. Все эти элементы приводят к усложнению системы трубопроводов, более сложному и продолжительному по времени техническому обслуживанию, а также утяжелению конструкции.

Настоящее изобретение также направлено на устранение недостатков, обусловленных достигнутым уровнем техники, путем предложения трубы для летательного аппарата, способной сохранять свою надежность при повышенных температурах.

С этой целью технической задачей настоящего изобретения является труба, входящая в состав системы трубопроводов летательного аппарата, отличающаяся тем, что она изготавливается из композитного материала, содержащего в качестве матрицы, усиленной волокнами, геополимерную смолу.

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения станут более понятными после изучения нижеприводимого его описания, которое используется исключительно в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых:

- фиг.1 изображает продольное сечение части трубопровода на основании достигнутого уровня техники, содержащего внутреннюю трубу, изготовленную из композитного материала на основе органической смолы, и титановую внешнюю трубу;

- фиг.2 изображает продольное сечение части трубопровода согласно предлагаемому изобретению, содержащего внутреннюю трубу и внешнюю трубу из композитного материала на основе геополимерной смолы.

На фиг.2 изображена часть (обозначена цифрой 20) системы трубопровода, устанавливаемой на летательном аппарате. Настоящее изобретение, описание которого приведено, применимо к трубопроводу системы тяговооруженности летательного аппарата, поскольку данный тип системы трубопровода наиболее сильно подвергается воздействию, в частности, температурному. Таким образом, в случае возгорания система трубопровода может быть подвержена температурному воздействию свыше 500ºС.

Однако предлагаемое изобретение не ограничивается данным видом применения и может использоваться в других системах трубопровода летательного аппарата.

Данная часть системы трубопровода 20 обеспечивает перемещение жидкого вещества между первым 22 и вторым 24 концами. Каждый конец 22, 24 содержит средства для их соединения с другим конструктивным элементом, например, с другой частью системы трубопровода, и устройство, в которое подается жидкое вещество или которое способно снабжать текучим веществом.

Данная часть системы трубопровода содержит, по меньшей мере, трубу 26, обеспечивающую перемещение жидкого вещества.

Согласно изобретению труба 26 изготовлена из композитного материала, содержащего геополимерную смолу, усиленного волокнами.

Для получения материала, способного сохранять механическую прочность при высоких температурах, используется геополимерная смола типа сиаллита (xSiO₂ ,AlO₂), в которой х находится в диапазоне или равен 1,75 и 50. Предпочтительно используется смола, которая продается под названием MEYEB фирмы «Cordi-géopolimère».

Под понятием геополимерная смола понимается геополимерная смола или смесь геополимерных смол.

В зависимости от характера применения волокна могут иметь различное сечение и изготавливаться из различных материалов, таких как, например, углерод, графит, базальт, арамид или стекло.

Волокна могут иметь сплетенную структуру, несплетенную структуру или быть представлены в виде полотна.

В естественном состоянии углерод представлен в виде нитей, содержащих зазубрины, которые придают материалу очень абразивные свойства. Для того чтобы в последующем им можно было бы придать форму, на эти волокна, как правило, наносится покрытие. Действительно, в процессе обработки состояние поверхности этих волокон ухудшается, что негативно сказывается на адгезивных свойствах органических смол. Кроме того, производство операций с волокнами, находящимися в необработанном состоянии, например, в процессе ткачества, осуществляется аккуратно, поскольку волокна отделяются от основного пучка. Также с целью восстановления состояния поверхности производится обработка сухих волокон, после чего на них наносится покрытие из органической смолы, которая улучшает химическую адгезию в ходе последующей пропитки. Такое нанесение покрытия называется замасливанием. Поступающие в продажу замасленные волокна гладкие и готовы к применению.

Величина замасливания относительно волокон достаточно невысокая и составляет около 1% в весе от замасленного волокна. Кроме того, свойства органической смолы, используемой для замасливания, у разных производителей могут быть различными.

Для облегчения сцепления матрицы, содержащей геополимерную смолу с волокнами, необходимо удалить, по меньшей мере, частично замасливание, при этом органические смолы и геополимерные смолы не смешиваются.

Удаление замасливания путем термической или химической обработки позволяет использовать ткани для широкой продажи.

Согласно одному из способов осуществления удаление замасливания осуществляется путем термической обработки, которая заключается в нагревании волокон до температуры термического разрушения смолы для того, чтобы последняя не сцеплялась с волокнами. Предпочтительно термическая обработка осуществляется в инертной атмосфере.

Такая обработка позволяет обрабатывать большинство поступающих в продажу волокон посредством корректировки температуры и (или) температурного цикла, которому подвергаются замасливаемые волокна. Представляется возможным производить обработку в течение относительно короткого периода времени - около нескольких минут.

Температура термического разрушения смол, применяемая для замасливания, очень близка к температуре окисления волокон из углерода, при этом следует определить температуру и (или) температурный цикл, которому подвергаются волокна. Действительно, очень значительное разрушение волокон может привести к существенному снижению характеристик получаемого изделия.

Как правило, окончание периода удаления замасливания соответствует началу периода разрушения волокон.

Хорошим компромиссным вариантом получения достаточного сцепления и ограниченного разрушения волокон является удаление от 50 до 90% замасливания.

Для установления температуры нагревания проводится испытание на образце. Термогравиметрический анализ (ATG), проводимый совместно с весовой спектографией или без нее, позволяет идентифицировать состав, используемый для замасливания, и определить температуры начала и окончания удаления, а также высвобождаемую массу.

Таким образом, термическая обработка заключается в нагревании изделия в инертной атмосфере, уделяя внимание поддержанию средней температуры печи в диапазоне, установленном в процессе термогравиметрического анализа. Окончательный контроль над потерей массы позволяет подтвердить правильность процесса.

В соответствии с другим эффективным способом удаление замасливания может быть осуществлено путем химической обработки, в частности, путем использования растворителя.

Предварительно необходимо определить состав, используемый для замасливания, с целью выбора растворителя. Такая идентификация может выполняться при помощи термогравиметрического анализа. Химический метод относительно прост в осуществлении и требует, по меньшей мере, обрабатывающего раствора, например, метиленхлорида. Продолжительность обработки устанавливается, в частности, в зависимости от используемого для замасливания состава.

В целях сокращения продолжительности обработки в качестве хорошего компромиссного варианта получения удовлетворяющего сцепления и ограниченной продолжительности обработки может рассматриваться удаление от 50 до 90% замасливания.

Согласно другому отличительному признаку изобретения для улучшения пропитки волокон осуществляется добавление воды в смолу, около 3-7% объема, для улучшения текучести данной смолы и достижения гомогенизации перемещения данной смолы в волокнах. Такая добавка воды является дополнительной к тому количеству воды, которое рекомендуется производителем смолы.

Труба 26, изготовленная из композитного материала на основе геополимерной смолы, выдерживает повышенные температуры и сохраняет свои механические и структурные свойства, а также пористость. В отличие от труб, изготовленных на базе достигнутого уровня техники, пористость которых увеличивается при высоких температурах, труба согласно изобретению сохраняет пористость, позволяющую оставаться герметичной.

Согласно вариантам труба 26 может иметь круглое или некруглое сечение и содержать прямолинейные и (или) кривые участки.

Согласно одному из способов осуществления часть трубопровода содержит две трубы, при этом первая труба 26, так называемая внутренняя труба, располагается во второй трубе 28, так называемой внешней трубе, при этом две трубы изготовлены из композитного материала на основе геополимерной смолы и, предпочтительно, являются фактически коаксиальными. Такая конфигурация позволяет получить более надежный трубопровод, поскольку в том случае, если образуется протечка внутренней трубы, текучее вещество продолжает перемещаться во второй трубе 28.

Возможность предусмотреть две трубы, выполненные из одного материала, позволяет упростить трубопровод, поскольку больше нет необходимости использовать устройства, позволяющие компенсировать относительные перемещения, которые могут возникать, когда трубы изготовлены из материалов, обладающих различными коэффициентами расширения. Кроме того, создание двух труб из волокон углерода, погруженных в матрицу, содержащую геополимерную смолу, позволяет ограничить габаритные изменения конструктивных элементов, при этом поскольку углерод не расширяется, то предусмотренные на концах средства соединения становятся проще.