Нервная работа: интеллектуальные конструкции для новых самолетов

Лазеры, оптоволокно и акустические датчики все активнее используются в конструкциях новых отечественных летательных аппаратов 25 Сентябрь 2015, 11:39
Но если раньше разработки физиков помогали улучшить навигационные характеристики самолетов, то теперь такие инновационные проекты, как интеллектуальные конструкции, позволяют существенно уменьшить массу лайнеров, повысить их безопасность, а также упростить обслуживание в аэропортах.

В последнее время во всем мире все активнее используются композиционные материалы. В конструкции первого российского гражданского лайнера SSJ100 доля композитов составила 12%, в самолете МС-21 — уже более трети. Создаваемый совместно Россией и Китаем новый широкофюзеляжный самолет будет состоять из углепластика наполовину. Композит позволяют добиться лучшей аэродинамики лайнеров и существенно экономить топливо.

                                 

На стыке наук

У использования современного углепластика в авиации есть и оборотная сторона. В силу неоднородности материала (при изготовлении конструкции используется до 80 слоев угольной ткани) при эксплуатации самолета могут возникать невидимые глазу дефекты — микротрещины. Дефекты возникают из-за столкновения в воздухе с птицами или случайных сильных ударов во время аэродромного обслуживания. Со временем микротрещины могут привести к выходу элементов конструкции и агрегатов из строя. Также многие детали самолета из композитов изготавливаются с большим, чем нужно «припуском»: конструкторы используют максимальное количество композитов там, где это не всегда необходимо. Это придает самолету десятки или даже сотни килограммов лишнего веса.

Несколько лет назад по инициативе ОАК начала работу группа специалистов из авиационных конструкторских бюро и ученых из Российской академии наук, Центрального аэрогидродинамического института им. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ),

Научно-инновационный центр «Институт развития исследований, разработок и трансферта технологий» (НИЦ «ИРТ»).

Цель — внедрить на практике разработки из областей химии материалов, оптической физики, физико-математического моделирования для создания интеллектуальной конструкции агрегатов самолета из композиционных материалов. 

«Начиная работу по созданию интеллектуальных конструкций, мы решили собрать группу специалистов, обладающих знаниями и навыками в самых разных областях науки и производства: авиастроении, химии материалов, оптической физике, математическом моделировании, — рассказывает руководитель Научного центра волоконной оптики Российской академии наук, академик РАН Евгений Дианов. — Эта ставка полностью себя оправдала. Форма организации работ позволила добиться практических результатов в промышленности».

Неусыпный контроль


К середине этого года ученым и промышленникам удалось взять пластик под непрерывное наблюдение и создать образец интеллектуальной конструкции крыла для новых отечественных самолетов. В часть крыла вмонтированы оптоволокно и специальные датчики, которые в течение 24 часов могут передавать информацию о конструкции техникам и пилотам.

«Еще на этапе изготовления тончайшие оптоволоконный нити вплетаются в углеводородную ткань, чтобы проследить правильность соблюдения технологии при ее превращении в пластик, — говорит директор Научно-технического центра ОАК Владимир Каргопольцев. — Датчики вмонтируют в наиболее ответственные участки конструкции».

Позднее, при эксплуатации самолета, оптоволокно передает информацию о состоянии самых разных параметров 

Треск интеллекта, или как это работает

Возникшие при эксплуатации композитных конструкций трещины на начальном этапе не видны человеческому глазу. Однако подвергать крыло гражданского лайнера площадью, например, 300 квадратных метров рентгеновскому или ультразвуковому сканированию после каждого полета, конечно, невозможно. Ведущий научный сотрудник Научного центра волоконной оптики РАН Михаил Беловолов объясняет, что выявлять повреждения и дефекты на ранней стадии позволяет акустика. Появление микротрещин в агрегатах сопровождается возникновением волн акустической эмиссии (характерных потрескиваний) в диапазоне частот от нескольких десятков килогерц и вплоть до десяти мегагерц. Целью новых исследований является разработка волоконных датчиков акустической эмиссии со свойствами чувствительности. Таким образом, с использованием высококогерентного лазерного излучения оптические волокна становятся датчиками акустической эмиссии и «нервами», передающими информацию о температуре и механической деформации внутри композитного материала.

В Научном центре волоконной оптики РАН на улице Вавилова специалисты по лазерной физике и волоконной оптике проводят эксперименты, которые позволяют отличать сигналы акустической эмиссии именно в композитор ткани от шумов и работы двигателей и других приборов.
На Институт машиноведения им А. А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) возложена задача по проведению физико-математического моделирования и определению критериев повреждения и разрушения критически важных композиционных элементов летательных аппаратов. Ноу-хау ИМАШ РАН позволят использовать информацию, получаемую с помощью волоконно-оптических датчиков, при создании моделей и определения критериев повреждения. В течение последних лет ИМАШ РАН вместе с ЦАГИ занимался исследованиями повреждений на ранних стадиях реформирования и разрушения композиционных материалов.

«Созданная с использованием таких технологий аппаратура может информировать пилота или техника о зонах ранних локальных повреждений конструкции из композитов и степени их опасности», — говорит заместитель директора ИМАШ РАН по научной работе Юрий Матвиенко.

Помимо существенного повышения безопасности эксплуатации конструкций из углепластика в авиации новая технология позволит решить еще одну проблему — снизить вес самолета. Традиционные агрегаты из металлов используются в авиации уже около ста лет. Материалы из композитов гораздо менее изучены, поэтому часто проектирование новых изделий ведется с большим запасом по прочности, что ведет к неоправданному росту их массы. Интеллектуальные материалы позволят добиться существенной — в сотни килограммов — экономии в весе самолета. Например, не потребуется наносить лишние слои углепластика там, где это ненужно, а безопасность повысить за счет постоянного мониторинга состояния конструкции.