ЕКСПЛУАТАЦІЙНА ТЕРМОСТІЙКІСТЬ КОНСТРУКЦІЙ БпЛА В УМОВАХ ПОЖЕЖІ

Анотація

 

Проблема. Безпілотні літальні апарати пожежного призначення працюють в умовах дії високотемпературних теплових потоків, що призводять до інтенсивного нестаціонарного нагрівання їхніх конструкційних елементів. У зоні відкритого полум’я теплові потоки формують температури 250–400 °C і вище, що призводить до інтенсивної температурно-часової деградації полімерної матриці та швидкого зниження несучої здатності композитів. Існуючі підходи до оцінювання термостійкості матеріалів переважно ґрунтуються на граничних температурах і не враховують тривалість теплового впливу в реальних пожежних умовах. Це унеможливлює обґрунтований вибір матеріалу для конструкцій пожежних БпЛА та потребує застосування нестаціонарного моделювання теплообміну.
Мета полягає у науково-обґрунтованому виборі оптимального термостійкого композитного матеріалу для конструкції БпЛА шляхом математичного моделювання впливу нестаціонарного температурного впливу та аналізу температурно-часової деградації механічних властивостей композитів за умов інтенсивного пожежного теплового впливу.
Методи дослідження. Застосовано методи математичного моделювання процесів теплообміну в шаруватих структурах та кінетичний аналіз термодеструкції полімерних композитів з метою визначення температурно часових меж їхньої працездатності в умовах пожежі.
Температурний стан конструкційних елементів БпЛА визначався шляхом розв’язання рівняння теплопровідності з урахуванням теплообміну на поверхні матеріалу. Чисельну реалізацію розробленої моделі виконано в системі комп’ютерної алгебри із використанням прямого методу дослідження процесу теплообміну в шаруватих конструкціях.
Основні результати дослідження. Чисельним моделюванням встановлено залежність температурно часової деградації міцності композитів від типу полімерної матриці. Показано, що композит CFRP-EP втрачає понад 50 % початкової міцності вже за 70 с при температурі 200 °C, тоді як CFRP-BMI зберігає працездатність до 150 с при 250 °C. Найвищу термостійкість продемонстрували композити CF/PEEK та CF/PEKK, які зберігають 60–75 % початкової міцності за температур 280–300 °C протягом 200–300 с, що підтверджує їхню придатність для роботи в умовах підвищеного теплового навантаження.
Висновки. На основі математичного моделювання процесу теплообміну встановлено визначальний вплив типу полімерної матриці на температурно-часову працездатність композитів конструкції пожежного БПЛА. Показано, що епоксидні вуглепластики швидко втрачають несучу здатність за температур 180–200 °C, тоді як композити класу PAEK (PEEK, PEKK) зберігають 60–75 % початкової міцності за температур 280–300 °C протягом 200–300 с. Нижча теплопровідність матриці PEKK забезпечує повільніше зростання температури в товщі матеріалу. Отримані результати обґрунтовують доцільність застосування композитів CF/PEEK та CF/PEKK у конструкціях пожежних безпілотних літальних апаратів.