Алюминиевый передний обтекатель, изготовленный методом металлического штамповки с ЧПУ

Введение

Для беспилотного летательного аппарата с длительным временем нахождения в воздухе важен каждый грамм и каждый миллиметр профиля поверхности. Носовой обтекатель расположен в самой передней части планера, где он определяет характер воздушного потока, в котором находится остальная часть аппарата. Асимметричный, имеющий швы или избыточный вес носовой обтекатель увеличит аэродинамическое сопротивление, нарушит линию видимости датчиков и заставит силовую установку работать с большей нагрузкой — и всё это напрямую сокращает время полёта.

С помощью металлического вращательного формования с ЧПУ — прецизионного процесса формовки металла, также известного как спин-формование — эти обтекатели изготавливаются в виде единой бесшовной алюминиевой детали. Вместо сварки или прессования нескольких сегментов этот процесс заключается в вращении плоской алюминиевой заготовки на токарном станке и постепенном обтекании металла вокруг оправки под действием роликов, управляемых компьютером. В результате получается обтекатель, изготовленный методом центробежного формования, с непрерывной поверхностью, жесткими допусками и соотношением прочности к весу, с которым традиционные методы изготовления с трудом могут сравниться.

В данной статье рассматриваются материалы, технологический процесс и инженерные обоснования того, почему обтекатель носовой части из алюминия 6063, изготовленный методом центробежного литья, является оптимальным решением для беспилотных летательных аппаратов (БЛА) длительной действия.

Почему обтекатель носовой части имеет важное значение для БПЛА длительной автономности

Передний обтекатель — это не просто декоративная накладка. На автомобиле, предназначенном для гонок на выносливость, он выполняет сразу несколько функций:

• Аэродинамическая чистота — она определяет поле потока на передней кромке; гладкий, вращательно-симметричный профиль снижает отрыв потока и сопротивление давления.
• Защита датчиков и полезной нагрузки — она защищает радиолокационное оборудование, оптико-инфракрасные датчики или антенные системы от воздействия воздушных потоков, влаги и пыли.
• Конструктивная непрерывность — она закрывает переднюю часть планера и воспринимает локальные аэродинамические нагрузки.
• Весовой баланс — он смещен вперед относительно центра тяжести, поэтому избыточная масса в этой области влияет на баланс и тримминг.

Любой фактор, увеличивающий аэродинамическое сопротивление или массу в носовой части, даёт о себе знать в ходе многочасового полёта. Именно поэтому производители дронов для разведки, картографирования и наблюдения всё чаще отдают предпочтение обтекателям из штампованного алюминия, а не сварным конструкциям.

Почему именно алюминий 6063?

Сплав 6063 — это алюминий серии 6xxx, который стал основным материалом для изготовления аэродинамических деталей и деталей корпусного типа. Для носового обтекателя, изготовленного методом металлического спиннинга, он обладает хорошо сбалансированным набором свойств:

• Превосходная формуемость — сплав 6063 предсказуемо реагирует на многоступенчатую пластическую деформацию при шпиндельной формовке, плавно обтекая оправку без образования трещин.
• Хорошее соотношение прочности к весу — поддается термообработке до состояний T5/T6 и обеспечивает достаточную конструкционную прочность при плотности, составляющей примерно одну треть от плотности стали.
• Коррозионная стойкость — благодаря устойчивому самовосстанавливающемуся оксидному слою материал подходит для использования во влажных, солевых или высокогорных условиях.
• Привлекательная поверхность — материал хорошо поддается анодированию и полировке, что важно как с точки зрения сопротивления, так и для прозрачности датчиков.
• Хорошая свариваемость и обрабатываемость — это важно в тех случаях, когда обтекатель впоследствии соединяется с кольцами, рамами или крепежными точками.

В случаях, когда требуется более высокая прочность, при металлическом штамповке также используются соответствующие авиакосмические сплавы, такие как алюминий марок 5052, 6061 и 7075, подбираемые с учетом требований к прочности, коррозионной стойкости и массе конструкции воздушного судна. Холодная обработка в процессе штамповки дополнительно повышает предел прочности на разрыв — например, прошедшая штамповку деталь из сплава 6061 может достигать примерно 300–350 МПа по сравнению с примерно 200–250 МПа для аналогичной детали, изготовленной методом горячей штамповки.

Термическая обработка металла с ЧПУ: как формируется обтекатель

Металлоштамповка по принципу действия схожа с гончарным ремеслом: заготовка приводится во вращение, а инструмент придаёт ей нужную форму. Промышленный вариант этого процесса гораздо более контролируем. При металлоштамповке с ЧПУ заготовка зажимается на оправке, а ролики с ЧПУ-управлением выполняют точную и повторяемую последовательность проходов как с осевой, так и с радиальной подачей.

Технологический процесс изготовления обтекателя носовой части БПЛА обычно выглядит следующим образом:

1. Подготовка заготовки — вырезается круглый алюминиевый диск, который, при необходимости, подвергается отжигу для обеспечения максимальной пластичности.
2. Токарная обработка с ЧПУ — заготовка проходит по профильному оправке в один или несколько проходов для придания ей огивальной или конической формы.
3. Обработка на станках с ЧПУ — монтажные фланцы, соединительные поверхности и опорные поверхности обрабатываются с соблюдением окончательных допусков.
4. Обрезка и снятие заусенцев — открытый конец обрезается, а все кромки скругляются.
5. Отделка — полировка, анодирование, химическое конверсионное покрытие или окраска.
6. Контроль — проверка размеров и осмотр поверхности.

По сравнению со сваркой сегментов или штамповкой с использованием специально подобранных матриц, центробежная формовка обладает рядом конструктивных преимуществ:

• Цельная конструкция из одного куска — отсутствие сварных швов, что исключает зоны повышенной напряжённости, источники усталостных повреждений и потенциальные пути утечки.
• Целостность, обусловленная деформационным упрочнением — при деформации металла его кристаллическая структура переориентируется и уплотняется, что повышает предел прочности на разрыв и позволяет использовать более тонкий материал для выдерживания той же нагрузки.
• Равномерная обработка стенок — ходы ЧПУ можно настроить таким образом, чтобы утоньшать или утолщать выбранные участки в соответствии с линией передачи нагрузки, а не с заготовкой.
• Целостность поверхности — гладкая прокатная поверхность снижает необходимость в интенсивной вторичной механической обработке.

Аэродинамические преимущества и преимущества по массе обтекателя, изготовленного методом центробежного формования

Аэродинамические характеристики зависят в первую очередь от геометрии, а металлотокарная обработка с ЧПУ по сути представляет собой процесс вращения: деталь по своей конструкции является симметричной. Это обеспечивает обтекателю носовой части ряд преимуществ с точки зрения эксплуатационных характеристик, важных для выносливости:

• Вращательная симметрия — обтекатель сбалансирован относительно оси, что обеспечивает стабильное и предсказуемое течение воздуха, а также стабильную работу датчиков.
• Оптимизированный профиль — огива, изготовленная методом многопроходного прядения, позволяет сохранить заданный контур с высокой точностью, благодаря чему фактическая форма соответствует форме, оптимизированной с помощью CFD.
• Гладкая, сплошная поверхность — отсутствие сварных швов и стыков панелей, которые могли бы нарушить поток в пограничном слое и увеличить сопротивление.
• Уменьшенная масса — технология центробежного литья позволяет изготавливать детали с более тонкими стенками при сохранении прочности, а детали из центробежно литого алюминия позволяют снизить вес примерно на 30 % по сравнению со стальными аналогами. Уменьшение массы в носовой части снижает аэродинамическое сопротивление и освобождает место для полезной нагрузки, а также увеличивает запас емкости аккумулятора или топлива, что способствует увеличению дальности полета.
• Эффективность использования материала — поскольку деталь формируется, а не вырезается, выход материала высок, а количество отходов, как правило, значительно меньше, чем при механической обработке или изготовлении методом резки и сварки.

Вопросы, связанные с процессами и затратами в программах по беспилотным летательным аппаратам

При разработке БПЛА редко останавливаются на одной конкретной форме. Прототипы проходят несколько итераций, комплектация датчиков меняется, а объемы производства, как правило, умеренные. Метод штамповки металла необычайно хорошо подходит для таких условий:

• Недорогое инструментальное оснащение — при производстве деталей методом центробежного формования используются относительно простые оправки вместо сложных парных штампов; первоначальные затраты на инструментальное оснащение могут быть на 80–90 % ниже, чем при альтернативных процессах формовки металла.
• Быстрая смена инструментов — новый профиль, как правило, требует использования нового оправки, а не нового набора матриц, что сокращает циклы итераций и сроки выполнения заказов.
• Экономичность при малых и средних объемах производства — прядение эффективно как при изготовлении единичных изделий, так и при выпуске партий в тысячи штук, что делает его подходящим как для прототипирования, так и для серийного производства.
• Гибкость конструкции — диаметр, длину, конусность и толщину стенок можно регулировать без необходимости полной перестройки всей системы инструментов.
• Минимальный объем дополнительных работ — бесшовная формовка позволяет сократить объём сварочных, шлифовальных и отделочных работ.

Определение границ возможностей

При подборе металлического обтекателя носовой части, изготовленного методом центробежного формования с ЧПУ, следующие параметры определяют допустимые и экономически целесообразные варианты конструкции:

• Типичный допуск — до ±0,1 мм по критическим диаметрам и сопряжениям, подтверждённый результатами координатно-измерительных измерений ключевых элементов.
• Диаметры — Торцевание с ЧПУ охватывает очень широкий диапазон: от небольших корпусов датчиков до секций планера большого диаметра. Универсальные токарные станки с ЧПУ для торцевания обрабатывают детали диаметром до примерно 2500 мм, а станки для крупногабаритных деталей — до примерно 3000 мм.
• Толщина материала — алюминий обычно подвергается штамповке на крупных станках из тонколистового материала толщиной до примерно 15–20 мм, в зависимости от диаметра и сплава.
• Объем производства — от единичных прототипов до десятков тысяч единиц в год.
• Материалы — алюминиевые сплавы, в том числе 5A02, 5052, 6061, 7075 и аналогичные марки серии 6xxx, а также медь, нержавеющая сталь и специальные сплавы для других элементов планера.
• Комплексные процессы — прядение в сочетании с обработкой на станках с ЧПУ, сварка методами TIG/EBW (при необходимости), а также полировка, анодирование или химическая обработка поверхности.

Контроль качества обтекателей авиакосмического назначения

Обтекатели из металла, изготовленные методом центробежного формования по аэрокосмическим стандартам, отличаются подтвержденным качеством:

• Контроль размеров — проверка критических диаметров, биения и размеров соединительных поверхностей в соответствии с чертежом, с 100-процентным контролем поверхностей, критичных с точки зрения безопасности или посадки.
• Контроль поверхности и дефектов — детали проверяются на наличие морщин, «апельсиновой корки», задиров или неравномерной толщины стенок; в процессе шпиндельного вальцования используются смазочные материалы и ролики с керамическим покрытием для предотвращения появления дефектов поверхности алюминия.
• Управление остаточными напряжениями — в случаях, когда это диктуется нагрузками и сроком службы по усталостной прочности, после формовки проводится снятие напряжений или термообработка для стабилизации детали.
• Чистые внутренние полости — процесс формования без стружки не оставляет остатков обработки внутри корпуса, что имеет важное значение для корпусов полезной нагрузки и датчиков.
• Документация по плетеным изделиям — сертификаты на материалы, протоколы проверок и записи о технологических процессах — обеспечивает функционирование цепочек поставок в аэрокосмической и оборонной отраслях.

Помимо обтекателя носовой части: другие компоненты беспилотных летательных аппаратов, изготовленные методом центробежного формования

Те же технологии центробежного формования, которые используются для изготовления обтекателя носовой части, применяются и при производстве остальных элементов планера. К типичным деталям для БПЛА и аэрокосмической отрасли, изготовленным методом центробежного формования, относятся:

• Капоты двигателя — например, капот из штампованного алюминиевого сплава с толщиной стенок 2 мм, размером примерно Ø520 × 400 мм, отполированный для обеспечения гладкой поверхности, не создающей сопротивления воздушному потоку.
• Корпуса передатчиков и приемников — корпуса, такие как медный корпус передатчика БПЛА или крышка приемника радиолокатора из алюминиевого сплава, размером до Ø800 × 220 мм.
• Носовые конусы и обтекатели ротора — ротационно-симметричные передние части корпуса.
• Топливные баки и трубопроводы — бесшовные герметичные корпуса.
• Корпуса для радаров и датчиков — корпуса с постоянными габаритами и гладкими внутренними поверхностями.

Заключение

Для БПЛА с длительным временем нахождения в воздухе носовой обтекатель должен быть легким, аэродинамически чистым и конструктивно надежным — эти три требования напрямую указывают на целесообразность применения технологии металлоштамповки с ЧПУ. Преобразуя заготовку из алюминия 6063 в бесшовную оболочку с упрочнённой поверхностью, технология центробежного формования позволяет получить обтекатель с вращательной симметрией, жесткими допусками, уменьшенной массой и гладкой поверхностью, при этом затраты на инструмент и сроки изготовления остаются достаточно низкими для итеративной разработки БПЛА.

Если вы планируете использовать обтекатель носовой части, изготовленный методом штамповки металла, или другой авиакосмический компонент, изготовленный методом формовки металла, необходимо заранее определить профиль, сплав, толщину стенок, допуски на сопряжение и вид поверхности, а также наладить сотрудничество с поставщиком, имеющим опыт в области штамповки алюминия авиакосмического качества — от изготовления прототипов до серийного производства.