Материаловедение

Материалы с эффектом адаптивного изменения формы

Проблеме разработки адаптирующихся материалов уделяется значительное внимание в различных отраслях современной индустрии, но, пожалуй, наиболее остро эта проблема стоит в авиастроении. В частности, авиаконструкторы уже давно работают над созданием крыла самолета, которое, имея цельную конструкцию, могло бы менять свою форму в полете, т.е. было бы по функциональным возможностям наиболее близким к крыльям птиц.

Как известно, птицы способны совершать фигуры высшего пилотажа, которые до сих пор не в состоянии воспроизвести самые совершенные самолеты. Аэродинамика птичьего полёта весьма сложна и на сегодняшний день полостью не исследована. Во время полета птиц происходят разнообразные изменения положения, формы и площади крыльев, разные их части двигаются с разной скоростью и под разными углами и т.д. (рис. 1). Это становится возможным благодаря особой скелетно-мышечной системе крыльев, а также их особому оперению.

Эпизоды полета птиц

Рис. 1. Эпизоды полета птиц

Традиционно на протяжении десятилетий совершенствование аэродинамических характеристик крыла самолета велось по пути модифицирования его конструкции за счет введения дополнительных конструктивных элементов, таких как предкрылки и закрылки, служащие для улучшения несущей способности крыла при взлете и посадке, а также элероны, предназначенные для управления углом крена. Наиболее кардинальное модифицирование конструкции крыла связано с обеспечением изменения его стреловидности: при больших скоростях полёта устанавливается большее значение угла стреловидности, при малых (взлет, посадка) – меньшее значение (рис. 2).

Различные положения крыла изменяемой стреловидности

Рис. 2. Различные положения крыла изменяемой стреловидности бомбардировщика F-111

Однако такой путь повышения аэродинамических характеристик крыла требует встраивания в него приводных механизмов, необходимых для обеспечения контролируемого перемещения соответствующих конструктивных элементов. Как правило, эти механизмы являются довольно сложными, что ведет к уменьшению надежности самолета, а также увеличению его массы. Особенно большой сложностью отличается механизм, изменяющий стреловидность крыла (рис. 3).

Механизм, изменяющий стреловидность крыла истребителя МиГ-23

Рис. 3. Механизм, изменяющий стреловидность крыла истребителя МиГ-23

В современном авиастроении широкое применение находят композиционные полимерные материалы (КПМ), обладающие исключительным сочетанием механических, теплофизических и специальных свойств. Особенно важным достоинством этих материалов являются высокая удельная прочность и жесткость. В конструкции современных самолетов КПМ составляют около 25 %, что обеспечивает существенное снижение веса и увеличение ресурса самолетов.

Дальнейший прогресс в области применения КПМ связывается с разработкой адаптирующихся КПМ, характеризующихся слоистоволокнистой анизотропной структурой. В частности, адаптирующиеся КПМ типа углепластиков обладают анизотропией, обусловленной нетрадиционной укладкой армирующих углеродных волокон в полимерной матрице. При этом ось анизотропии составляет некоторый угол с линией действия нагрузки в плоскости элементов конструкции летательных аппаратов, например, обшивок, балок и т.п. Благодаря этому при силовом давлении на элемент конструкции и определенной структуре материала, характеризующегося разницей в углах между линией действия сил и главной осью анизотропии, происходит изменение формы элементов конструкции. Это приводит к перераспределению действующих нагрузок, что выражается в уменьшении нагрузок, действующих на конструкции в целом, и как следствие, в снижении ее массы (рис. 4).

Рис. 4. Схема крыла самолета с адаптивным элементом конструкции из композита с регулируемой анизотропией

Применение адаптирующихся КПМ дает значительно больший эффект по сравнению с применением обычных КПМ.

Так, применение обычных КПМ в концевой части крыла самолета на одной трети размаха приводит к уменьшению массы на 150 кг, в то время как использование адаптирующихся КПМ, деформирующих крыло в требуемом направлении, позволяет уменьшить массу на 3200 кг (согласно расчетам, выполненным для самолета, вмещающего 700 пассажиров при взлетной массе 600 т).

На практике показана возможность значительного снижения массы и улучшения аэродинамических характеристик при использовании адаптирующихся КПМ типа углепластиков в крыле обратной стреловидности истребителя С-37 «Беркут» АО «ОКБ Сухого». Из этого материала изготовлены панели кессона (силовой основы крыла) размером 7×2 м и толщиной в корневой части около 20 мм. Высокая жесткость материала по размаху крыла 1,1·105 при удельной массе 1,6 г/см3 в сочетании с требуемой адаптирующейся способностью обеспечила постоянство углов атаки при различных маневрах самолета, что было продемонстрировано в процессе летных испытаний.

Макет изгибающегося крыла

Рис. 5. Макет изгибающегося крыла

В последние годы ведется разработка цельных трансформирующихся крыльев на основе использования пьезоэлектрических актуаторов, благодаря которым крылья смогут изгибаться в зависимости от аэродинамических условий полета (рис. 5).

 

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *