ФАЛТ и ALaSCA

Композитные материалы (КМ) используются в человеческой практике испокон веков. Достаточно вспомнить бетон, где наполнителем являются гравий, а связующим – цементный раствор. Если добавить стальную арматуру, появляется новое качество – анизотропия, в соответствии с конструкцией бетонной плиты. Расширяются возможности применения «материала» – как просто делать перекрытия! Строительный материал сам по себе становится конструкцией…

Один из древнейших КМ – булат. В нем тончайшие слои высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом. Естественно, что издревле КМ применяются в производстве оружия. Благодаря прочности и лёгкости, КМ применяются для производства различных видов брони: нательной, транспортной, корабельной, строительной, кабельной, космической.

С самого зарождения авиации КМ используются в конструкции самолётов. В качестве примера можно привести фанеру. Наполнителем здесь является древесный шпон, связующими – специальные клеи. Фанера – существенно анизотропна, также как деревянная балка, применявшаяся в качестве лонжерона крыла.

Теперь иные времена – новые связующие, новые наполнители. Но проблемы старые… С одной стороны, конструкции из КМ расширяют возможности проектирования. Можно, например, сделать крыло большего удлинения, следовательно, меньшего индуктивного сопротивления, то есть большего аэродинамического качества. С другой стороны, появляются проблемы ресурса – времени жизни изделия. Как известно, фанера коробится, расслаивается, не любит колебаний влажности, температуры, не любит солнечных лучей… Точно также и современные КМ. А ещё есть проблемы эксплуатации, например, ударных нагрузок. «Прикоснулся» на земле топливозаправщик к мотогондоле самолёта – на дюралевой обшивке вмятина, ну и ничего… А что делать, если это плита из КМ?

Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создаются одновременно под конкретную задачу, и, проектируя новый КМ, можно задать ему характеристики, превосходящие характеристики традиционных материалов в данной конструкции. При этом для каждого изделия требуется проводить все необходимые расчёты.

Изделия из КМ отличают высокие удельная прочность, жёсткость, износостойкость, легкость. КМ классифицируются по виду армирующего наполнителя: волокнистые; слоистые; наполненные. В последнем случае армирующим компонентом являются частицы, которые, в свою очередь, могут иметь композитную структуру.

Для того, чтобы полнее выявить преимущества изделий из КМ, специально подбираются элементы «большой» конструкции. Так в проекте ALaSCA ( Advanced  Lattice  Structures  for  Composite  Airframes), для увеличения длины цельнокомпозитного отсека фюзеляжа, рассматривается проект пассажирского самолёта с передней стреловидностью крыла. Этот отсек является элементом конструкции самолёта, её «атомом».

В проекте ALaSCA (Перспективные геодезические конструкции для композитных фюзеляжей) участвуют 12 партнёров: Немецкий Аэрокосмический Исследовательский центр (DLR), Европейская Аэрокосмическая Оборонная Компания – Подразделение Инноваций (EADS-IW), Аэробус (Airbus), Дельфтский Университет Технологии (TU Delft), Производственный и Инженерный Центр (SMR) Швейцарии, Лидский Университет (Leeds) Великобритании, Центральный Аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), Центральный Научно-Исследовательский Институт Специального Машиностроения (ЦНИИСМ), Российский Химико-Технологический Университет (РХТУ), ОАО Научно-производственное предприятие Радар-ммс (Радар - Санкт-Петербург), Научно-инженерная компания (НИК - Самара), ФАЛТ МФТИ.

Основная цель проекта ALaSCA - поиск путей снижения веса и стоимости авиационных конструкции на основе адаптации и развития сетчатых технологий применительно к композитному фюзеляжу гражданского магистрального самолета. Сетчатые композитные конструкции отсеков, изготовленные на основе намоточных технологий, успешно применяются в конструкциях ракет и реализуют высокие прочностные, жесткостные и низкие весовые характеристики.

За 100 лет развития металлические авиаконструкции достигли максимума эффективности, и дальнейший прогресс в области авиастроения при ужесточаемых требованиях по экологии, комфорту и безопасности ожидается с развитием новых легких армированных КМ. Эти материалы имеют сложную структуру и требуют инновационных решений для реализации своих преимуществ.

Роль ФАЛТ в Проекте состоит в разработке и валидации алгоритмов и методов проектирования конструкций из КМ; оценке их веса с учетом нелинейной деформации обшивки; анализе эффективности применения современных КМ, а также оптимизации сетчатого отсека фюзеляжа на базе разработанных прямых методов.

Проекты рамочных программ предполагают наличие «кочующих» с места на место рабочих встреч, которыми завершаются очередные этапы Проекта. Наличие многих участников проекта позволяет топ-менеджерам ориентироваться в происходящем и минимизировать ошибки в выборе пути, то есть исключить финансирование ненужных разработок и максимизировать средства на создание новых технологий и наработку научно-технического задела.

Одна из таких встреч состоялась в конце прошлого года в Дельфте на базе аэрокосмического факультета дельфтского технического университета (рис. 1). Факультет имеет 2500 студентов и готовит специалистов по всем аэрокосмическим специальностям, за исключением подготовки пилотов. Время обучения 5 лет, но многие студенты осваивают программу в течение 6-7 лет, прерывая учёбу вынужденными «паузами»…

Рис. 1. На рабочей встрече в дельфтском университете (представители ЦАГИ, МФТИ и РХТУ им. Д.И. Менделеева)

Подробнее хотелось бы остановиться на аэрокосмическом факультете. Факультет имеет 6 подразделений, которые включают в себя 18 кафедр и в первом приближении объединяет тематику магистерских программ ФАЛТ и ФАКИ МФТИ. В частности, студенты кафедры Астродинамики и спутниковых систем имеют дело с вычислением точных орбит спутников и пилотируемых космических кораблей, проектируют системы управления и навигации спутников, участвуют в обработке данных измерений в интересах геодезии, геофизики и океанографии. Для наиболее сложных расчётов используется суперкомпьютер Cray T3E.

Факультет имеет хорошо оснащённую аэродинамическую лабораторию, где каждый студент факультета должен выполнить ряд лабораторных работ в аэродинамических трубах (АДТ), начиная от простых (измерить подъёмную силу профиля крыла при скорости потока 50 м/с), заканчивая более сложными (измерить сопротивление дельтаобразного крыла при числе М = 2). Список АДТ приведен ниже.

Факультет имеет исследовательский подвижный пилотажный стенд (рис. 2) с двухместной кабиной современного транспортного самолёта и позволяет моделировать динамику полёта любого самолёта. Максимальные перегрузки, моделируемые на стенде, равны полутора g.

Рис. 2. Пилотажный стенд SIMONA (с шестью степенями свободы)

Факультет имеет собственную летающую лабораторию на базе реактивного самолёта Cessna Citation, на котором бакалавры второго и третьего курсов делают лабораторные работы.

С первого курса регулярно по полдня в утренние или послеобеденные часы студенты заняты в лабораториях, выполняя учебные работы и исследования по собственной программе, проходя весь спектр работ от лётного эксперимента до работ по прочности материалов. Каждый студент своими руками должен изготовить элемент конструкции ЛА «в железе». Обычно это конструкции из КМ. При этом студентов учат сочетать индивидуальную работу с работой в коллективе.

Факультет имеет очень сильную лабораторию конструкции ЛА и авиационных материалов, включая натурные стенды для испытаний на прочность и собственную производственную базу. Лаборатория ведёт работы и исследования по заказам промышленности. По состоянию помещений и богатству оснащения лабораторий (рис. 3) видно, что правительство вкладывает много средств в подготовку высокообразованных специалистов для аэрокосмической отрасли.

Рис. 3. Ангар лаборатории конструкции и прочности ЛА дельфтского университета

Что поразило в жизни города. Экологическая чистота. Очень мало машин, очень много велосипедов. Впечатляют велосипедная парковка у станции электрички (рис. 4), грузовые велосипеды с прицепами и большими багажниками, семейные – на которых едет мама с двумя детьми, на двух колёсах, да ещё по магазинам! Конечно же, каналы и обилие воды, чистой воды (рис. 5). Наверное, так и должны жить люди на «корабле» или на земле ниже уровня мирового океана, когда от жизни каждого зависит судьба всех…

Рис. 4. Аспирант МФТИ Е. Дубовиков у велосипедной парковки

Рис. 5. Город рабочим утром