Переход на «локальный ноль» укрепил печатное карбоновое крыло

Американская компания Aurora Flight Sciences ввела в систему координат печати углепластикового самолетного крыла «локальный ноль», улучшив тем самым прочностные и весовые характеристики несущей поверхности. Как пишет Aviation Week, испытаниями крыла, изготовленного по новой технологии, в ближайшее время займется NASA.

Сегодня при изготовлении композиционного крыла самолетов используется способов роботизированной выкладки углеродных нитей на оснастку. Для того, чтобы выкладка происходила точно на оснастку для робота-принтера отмечают нулевую точку, от которой происходит отсчет координат.

Каждый из выкладываемых слоев нитей во время печати поворачивается относительно другого с точкой отсчета в заранее заданном ноле на минус 45, 45 и 90 градусов. Такое смещение направления нитей позволяет получить более прочную готовую конструкцию.

После завершения выкладки слои углеродных нитей запечатывают в пакет, вакуумируют, заливают полимером и «запекают» в автоклаве при определенных температуре и давлении. По завершении этого процесса готовую деталь извлекают из пакета и отправляют на проверку.

Новая технология, разработанная Aurora Flight Sciences, предполагает условное разделение рабочей поверхности — оснастки — на несколько участков, для каждого из которых задается своя точка нулевого отсчета координат — «локальный ноль». По мере перехода от участка к участку манипулятор принтера переходит на новую систему координат.

Такое решение позволило роботу выкладывать углеродные нити с изменяющимся от участка к участку изгибом, который соответствует линиям наибольших нагрузок на крыле. При введении «локального нуля» сохранилось угловое смещение слоев углеродных нитей друг относительно друга.

С применением новой технологии американская компания изготовила левую консоль крыла пассажирского лайнера Boeing 777-200ER уменьшенного масштаба. Длина консоли составляет 11,9 метра. Как ожидается, готовая консоль будет передана NASA для испытаний до конца года.

По оценке разработчиков, введение «локального нуля» позволяет тратить меньше материала, сохраняя или даже несколько повышая прочность крыла при одновременном снижении его массы. Кроме того, новая технология позволяет изготавливать прочное аэроупругое крыло большего удлинения, чем принято устанавливать на самолеты.

В начале октября текущего года исследователи из Датского технического университета предложили использовать метод топологической оптимизации для улучшения характеристик крыла пассажирского самолет. По итогам оптимизации исследователи пришли к выводу, что такой метод позволяет снизить массу конструкции крыла по меньшей мере на два-пять процентов.

Для своего эксперимента исследователи использовали программное обеспечение топологической оптимизации, запущенное на французском суперкомпьютере Curie. Для оптимизации ученые взяли внутреннюю конструкцию правой консоли крыла пассажирского лайнера Boeing 777 длиной 27 метров. Его трехмерную модель исследователи разбили на 1,1 миллиарда вокселей, трехмерных аналогов двумерного пикселя.

При оптимизации программа рассчитывала нагрузки сначала для каждого воксела в отдельности, а затем для их совокупности. Получавшаяся после каждой оптимизации трехмерная модель подавалась на вход программы несколько сотен раз. В результате новая внутренняя структура крыла получилась плавной, внешне напоминающей сосудистую сетку.

Новая конструкция получилась легче, но ее общая гибкость и устойчивость к нагрузкам сохранились. По оценке исследователей, такая оптимизация позволит добиться уменьшения потребления топлива самолетом на 40-200 тонн в год в зависимости от конструкции самого летательного аппарата.

Василий Сычёв

@funscience to be continued...