Проблеме разработки адаптирующихся материалов и технологий в различных областях современной промышленности уделяется много внимания, и особенно эта проблема актуальна в авиационной промышленности. Авиастроение, как одна из ведущих отраслей, активно ищет способы повышения эффективности и безопасности летательных аппаратов. Создание крыла самолета, которое, обладая единой конструкцией, способно менять свою форму в процессе полета, является одной из самых сложных задач, стоящих перед инженерами. Такая конструкция должна быть функционально эффективной и максимально приближенной к крыльям птиц по своим аэродинамическим характеристикам.
Птицы, как известно, способны совершать маневры, которые не под силу даже самым высокоскоростным самолетам. Например, орлы и ястребы могут развивать скорость до 300 км/ч и совершать резкие повороты и пикирования, которые невозможны для большинства самолетов, даже с современной аэродинамикой. Аэродинамика полета птиц до сих пор недостаточно исследована и остается одной из самых сложных областей в науке. Во время полета птицы изменяют форму и площадь своих крыльев, а также их части двигаются с различной скоростью и углом наклона, что позволяет птицам контролировать движение воздуха и маневрировать в пространстве (рис. 1).
Рис. 1. Эпизоды полета птиц
Первые попытки имитировать механизмы полета птиц были сделаны в античные времена, когда ученые и инженеры пытались создать устройства, способные летать, подобно птицам. Однако только в 20 веке, с развитием аэродинамики и технологии материалов, стало возможно создавать более сложные механизмы для регулирования формы крыльев самолетов. Одним из значительных шагов в этой области было совершенствование конструкции крыльев самолетов с помощью введения дополнительных элементов, таких как предкрылки и закрылки, для улучшения аэродинамических характеристик при взлете и посадке. Эти элементы позволяли увеличивать подъемную силу и уменьшать сопротивление на низких скоростях. Элероны, служащие для управления углом крена, также стали важной частью конструкции крыльев.
Самыми заметными достижениями в области изменения формы крыла являются системы изменяемой стреловидности. Они позволяют адаптировать форму крыла в зависимости от скорости полета. Например, при высоких скоростях угол стреловидности увеличивается, что снижает сопротивление воздуха, а при низких скоростях угол уменьшается, что улучшает подъемную силу (рис. 2).
Рис. 2. Различные положения крыла изменяемой стреловидности бомбардировщика F-111
Однако такие системы требуют установки сложных механических приводов, которые обеспечивают движение этих конструктивных элементов. Встраивание таких механизмов в крыло увеличивает его массу и сложность конструкции, что снижает надежность и эффективность. Механизмы, изменяющие стреловидность крыла, например, на истребителях, таких как МиГ-23, требуют высокоточных и сложных механизмов (рис. 3).
Рис. 3. Механизм, изменяющий стреловидность крыла истребителя МиГ-23
Одним из наиболее значимых шагов в развитии материалов для авиации стало использование композиционных полимерных материалов (КПМ). Эти материалы обладают уникальными механическими, теплофизическими и специальными свойствами, что делает их идеальными для применения в авиационной отрасли. КПМ характеризуются высокой удельной прочностью и жесткостью, что значительно снижает массу самолетов и увеличивает их ресурс. В 1960-е годы, с развитием углеродных волокон, было найдено решение для уменьшения веса самолетов, что значительно повлияло на конструкцию современных летательных аппаратов. В настоящее время КПМ составляют около 25% от общей массы современных самолетов.
Развитие технологии адаптивных материалов привело к созданию адаптирующихся КПМ, которые обладают слоистой анизотропной структурой. В частности, углепластики, являющиеся одним из видов таких материалов, имеют уникальную анизотропию, которая обусловлена направлением армирующих углеродных волокон в полимерной матрице. Это позволяет материалу изменять форму под воздействием внешних нагрузок, перераспределяя их и уменьшая нагрузку на другие элементы конструкции, что способствует снижению массы летательного аппарата (рис. 4).
Рис. 4. Схема крыла самолета с адаптивным элементом конструкции из композита с регулируемой анизотропией
Использование адаптирующихся КПМ значительно улучшает аэродинамические характеристики и снижает массу летательных аппаратов по сравнению с применением обычных КПМ. Например, использование адаптивных материалов в концевой части крыла позволяет существенно уменьшить массу: если обычные КПМ в этом случае уменьшают массу на 150 кг, то адаптирующиеся материалы могут снизить массу на 3200 кг для самолета с вместимостью 700 пассажиров и взлетной массой 600 т.
На практике уже достигнуты значительные успехи. Адаптирующиеся КПМ активно применяются в авиационной промышленности, как, например, в крыльях истребителей С-37 «Беркут», где для силовых конструкций крыла использовались панели из углепластика размером 7×2 м и толщиной 20 мм в корневой части. Эти материалы обеспечили необходимую жесткость и адаптивность, что позволило сохранять оптимальные углы атаки при различных маневрах самолета, что было продемонстрировано в ходе летных испытаний.
Рис. 5. Макет изгибающегося крыла
В последние годы активно ведутся работы по созданию цельных трансформируемых крыльев, которые будут использовать пьезоэлектрические актуаторы для гибки крыла в зависимости от аэродинамических условий полета. Эти технологии открывают новые горизонты для создания летательных аппаратов, которые будут значительно более эффективными и маневренными в любых условиях.
Развитие адаптирующихся материалов, особенно в авиационной промышленности, открывает новые горизонты для создания более эффективных и безопасных летательных аппаратов. Использование таких материалов, как углепластики с регулируемой анизотропией, позволяет не только уменьшить массу самолетов, но и улучшить их аэродинамические характеристики, что крайне важно для повышения маневренности и уменьшения расхода топлива. Адаптивные материалы дают возможность изменять форму конструктивных элементов в ответ на внешние нагрузки, что позволяет самолётам оптимизировать свои характеристики в зависимости от условий полета, подобно тому, как это делают птицы.
Несмотря на значительные успехи, технологические сложности, связанные с интеграцией таких материалов в авиационную конструкцию, остаются. Встроенные механизмы, обеспечивающие изменение формы крыльев, требуют высокой точности и надежности, что накладывает дополнительные требования к конструктивным решениям. Однако с каждым годом технология совершенствуется, и уже сегодня можно наблюдать успешные примеры применения адаптивных материалов в авиации, такие как разработки истребителей С-37 «Беркут» и других современных летательных аппаратов.
Будущее авиации, вероятно, будет связано с дальнейшим развитием таких технологий, что сделает самолеты еще более экономичными, легкими и маневренными. Ожидается, что внедрение адаптирующихся материалов в конструкции крыльев, а также использование пьезоэлектрических актуаторов для их трансформации, сыграют ключевую роль в следующем этапе развития авиационной техники, способствуя не только повышению её эффективности, но и сокращению воздействия на окружающую среду.