Как создавали «черное крыло» «Беркута»

25 лет назад, в 1997 году, состоялся первый полёт «самолёта-загадки», как его окрестили в СМИ — Су-47 «Беркут». Обладающая благодаря крылу обратной стреловидности уникальным, легкоузнаваемым силуэтом, машина стала прорывом отечественной конструкторской мысли. По сей день «Беркут» остается «летающей лабораторией», на которой отрабатываются решения, необходимые для создания истребителей пятого поколения.

Перед советскими авиаконструкторами в 1983 году была поставлена задача создать сверхманевренный истребитель. Необходимые летно-технические характеристики могло обеспечить крыло обратной стреловидности – новое для наших авиастроителей конструкционное решение. Причем, было принято создать «черное крыло», крыло из полимерных композиционных материалов. Это стало настоящим вызовом для советских ученых и конструкторов. Колоссальная по объемам задействованных ресурсов задача была успешно решена — в 1999 году: экземпляр Су-47 был представлен публике на авиасалоне МАКС. Машина получилась удачной. По словам испытателей, в отличии от других истребителей, этот был «увертлив» на скоростях от предельно малых до сверхзвуковых.  Весомая заслуга в создании углепластикового крыла истребителя принадлежит ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина.

Композиционный материал и автоматизированная выкладка 

О создании крыла «Беркута» в открытом доступе до обидного мало информации. А ведь для реализации этого проекта учеными ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина и ВИАМ были разработаны технология изготовления композиционного материала с заданным уровнем свойств, основные методологические принципы разработки технологии получения однонаправленных препрегов на основе углеродных жгутовых наполнителей. Сделано это было в уникально короткие сроки. Первые экспериментальные панели из новых материалов были изготовлены и испытаны уже в 1986 году в составе модели кессона крыла длиной около четырех метров, успешно выдержав все положенные испытания.  Чтобы максимально реализовать свойства применяемых материалов, впервые в СССР изготовление крыла обратной стреловидности было выполнено методом автоматизированной выкладки. Почему автоматизация была столь важна? Дело в том, что именно автоматическая выкладка обеспечивала максимально точное нанесение лент препрега (углеродных лент, пропитанных связующим) на оснастку, формируя слои углепластиковой панели. Число таких слоев в будущем крыле местами доходило до 120, так что малейшая неточность — и сложная дорогостоящая деталь становилась непригодной. 

«Теория о крыле обратной стреловидности появилась еще в 30-х годах, а вот материал только в наши дни. Первоначальный проект самолета с КОС назывался «С-22». Панели консолей создавались с целью испытания новых материалов. В то время у нас была единственная в России установка для автоматизированной выкладки препрегами изделий. Но и ее возможностей было мало для решения задачи создания композитного крыла. Дело в том, что ее программы обеспечивали выкладку только в двух плоскостях. Поэтому мы вручную настраивали станок еще на две координаты. Это была простая, но кропотливая работа: как только подпружиненная «головка», которая катилась по оснастке, «садилась» на концевой выключатель, мы начинали подбирать координаты, чтобы она дальше двигалась, так как нам нужно. Эмоции незабываемые! Месяц работал без выходных. После этого возникла идея самим разработать ПО для оборудования, которое позволит получать управляющие программы для работы одновременно по четырем координатам. Мы написали техническое задание для НИАТ, после чего на основании нашего опыта группа программистов разработала необходимую систему подготовки управляющих программ. С ее помощью в дальнейшем делались программы для реализации проекта крыла для Су-47», - вспоминает начальник отдела автоматизации технических процессов ОНПП «Технология» Валерий Терновой.

«Проба» крыла 

«Черное крыло» действительно стало совершенно не абстрактным глобальным вызовом. Практически каждое найденное решение внедрялось впервые в стране. Специалистам ОНПП «Технология» вместе с коллегами из «Сухого» и ВИАМ пришлось в кратчайшие сроки решать задачи, связанные с организацией контроля исходных материалов, рассчитывать температурные деформации в процессе автоклавного формования, рассчитывать эффективные режимы теплового и силового воздействия в зависимости от характеристик связующего и делать много того, что до них в СССР и России никто не делал. На «Технологии» была разработана и методика проектирования толстостенных несимметрично армированных панелей крыла, решена, казалось бы, непосильная задача неразрушающего контроля панелей большой толщины, содержащей металлические листовые усиления и созданы методики испытаний толстостенных образцов-свидетелей, обеспечивающие высокую достоверность и реализацию характеристик углепластика в готовых панелях.

«Это было непростое время. Закрывались заводы, в целом ситуация была сложная. А мы получили заказ на изготовление КОС для Су-47. Работа была напряженной, но очень интересной, ведь мы делали крыло методом автоматизированной выкладки первый раз. Сейчас: запустил установку, выставил координаты, она катает то, что надо, остается наблюдать. В тот период, из-за нового оборудования, которого еще ни у кого в стране не было, из-за нового материала, надо было импровизировать. Все параметры мы подгоняли под установку, пробовали, проверяли, как лучше. Иногда из-за «капризов» связующих приходилось убирать слои и накладывать новые, но мы отработали всё как надо. Изготовление крыла для «Беркута» – это колоссальный опыт, который послужил прорывом не только для авиации, но и для производства. Был внедрен метод автоматизированной выкладки изделий для авиационной техники, доведены до высокого качества материалы, да и для рабочих это была отличная практика», - вспоминает оператор станков с программным управлением ОНПП «Технология» Александр Конашенков.

Композиты получили оценку «отлично»

Испытания крыла на прочность проходили в зале статических испытаний ОКБ Сухого. Нагружались сразу обе консоли. Это было первое в нашей стране крыло из углепластика, поэтому все участники проекта очень волновались. Нагрузку увеличивали постепенно. При каждом объявлении о приложении новой нагрузки с тревогой прислушивались к малейшему щелчку. Не разговаривали. Особый нервный накал начался с первыми звонкими щелчками, это означало, что внутренние напряжения приближаются к пределу прочности композита. Удивительно было видеть, как крыло сильно прогибается, но спокойно держит нагрузку. Углепластиковое крыло с запасом выдержало расчетное тестирование.

К летным испытаниям Су-47 специалисты ОНПП «Технология» отнеслись спокойно, так как были уверены в надёжности углепластиковых панелей. Но всех переполняло чувство гордости за результат, достигнутый в тесном содружестве материаловедов, прочнистов, конструкторов, технологов, испытателей, рабочих и мастеров предприятий ОКБ Сухого, ЦАГИ, ВИАМ и ОНПП «Технология».

«Беркут» стал вехой в развитии отечественного авиастроения. Причем, не только боевой авиации, но и гражданской — разработанные и отлаженные в те годы технологии воплощены в хвостовом оперении и крыльях «МС-21». Для ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина работа над «черным крылом» стала также основой для успешного внедрения серийного производства элементов конструкции будущего истребителя Т-50 (Су-57), который сейчас поступает в войска.