В России предложили новую архитектуру заполнителя сэндвич-панелей, которые применяют в обшивке сверхскоростных летательных аппаратов, включая многоразовую космическую технику и гиперзвуковые ракеты. Новые панели обеспечивают повышенную прочность и жесткость, а также позволяют организовать внутри циркуляцию охлаждающей жидкости или газа для отвода тепла от наиболее нагреваемых участков конструкции. При этом эксперты подчеркивают: важно, чтобы инновации не приводили к ухудшению других эксплуатационных характеристик. Подробнее о технологии — в материале «Известий».
Как улучшить структуру сэндвич-панелей обшивки
Инженеры из Московского авиационного института (МАИ) нашли способ повысить функциональность обшивки ракет, самолетов и других летательных аппаратов. Модифицированные конструкции, помимо обеспечения прочности, могут эффективно охлаждать участки, подверженные перегреву.
Как объяснили исследователи, в основе разработки лежит новая архитектура заполнителя — среднего слоя в классических трехслойных сэндвич-панелях для аэрокосмической техники. Обычно такие панели состоят из прочных внешних слоев и легкого наполнителя между ними. Чаще всего в качестве такого заполнителя используют структуры, напоминающие пчелиные соты. Подобная конструкция позволяет при малом весе обеспечить прочность, изоляцию и звукопоглощение.
— Но у такого материала тоже есть недостатки. Зачастую в сотах скапливается конденсат. Кроме того, такие панели уязвимы для высоких температур и механических повреждений. Решая эти проблемы, исследователи предложили инновационную структуру заполнителя. Новая форма отдаленно напоминает упаковку для яиц, но с тщательно просчитанной геометрией. Такая структура обеспечивает высокую прочность, а ее внутреннее пространство можно использовать для циркуляции жидкости или газа, отводящих тепло от нагреваемых элементов, — рассказал «Известиям» доцент и инженер кафедры «Проектирование и прочность авиационно-ракетных и космических изделий» МАИ Антон Волков.
По словам эксперта, предложенное решение особенно актуально для теплонагруженных конструкций, таких как многоразовые ракетные комплексы, нагревающиеся до экстремальных температур при входе в атмосферу, а также для сверхзвуковых и гиперзвуковых летательных аппаратов.
По схожему принципу, добавил ученый, работает система охлаждения корпуса ракеты Starship, где циркулирующая жидкость отводит тепло. Наша трехслойная панель решает ту же задачу, но при этом сохраняет все ключевые преимущества классических сотовых или пенных заполнителей — жесткость, прочность и низкую массу, пояснил Антон Волков.
Он подчеркнул, что в предложенной структуре форма и шаг типовой ячейки не фиксированы, а варьируются в зависимости от расчетных нагрузок. Это легко реализовать при изготовлении панелей методами 3D-печати. Такой подход позволяет усилить или ослабить конструкцию там, где требуется. Это открывает путь к созданию более эффективных аэродинамическим форм, не ограниченных классической схемой «труба-крыло». Например, к планерам типа «летающее крыло».
Как гиперзвуковые ракеты выдерживают высокие температуры
— Вопросы эффективной тепловой защиты аппаратов всегда стоят остро. Они требуют исключительных усилий инженеров, поскольку повышение условий работы материала на каждые 100–200 градусов влечет за собой создание новых веществ и покрытий. Вместе с тем важно, чтобы инновации не приводили к ухудшению других характеристик, — рассказал «Известиям» ведущий инженер Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана Андрей Новиков.
По его словам, наиболее очевидные сферы применения разработки — это военная сфера и ракетно-космическая техника (в первую очередь, возвращаемые ступени). Но при внедрении инновации могут возникнуть проблемы, в основном в области исследований и диагностики. Например, необходимо будет решить, как в ходе испытаний воссоздать условия реальной эксплуатации, или как разработать математические и физические модели и подтвердить их корректность.
— Потенциал у разработки высокий, но ее реальная ценность будет подтверждена лишь тогда, когда ученые докажут прочность соединения слоев и представят понятную экономическую модель производства. Изобретение должно быть не просто эффективным «на бумаге» или в виде опытного образца, но и пригодным для серийного производства. Авиационная индустрия консервативна, и любая инновация обязана быть технологичной и легко воспроизводимой на существующих или перспективных мощностях, — отметил военный эксперт Дмитрий Корнев.
По мнению специалиста, существует системный риск «информационного разрыва», когда конструкторские бюро и научно-исследовательские организации работают с закрытыми данными и специфическими сплавами для гиперзвука. Чтобы разработка МАИ не оказалась оторванной от реальности, вузовской науке необходима тесная координация с держателями секретных технологий. Также определяющим остается вопрос стоимости.
— Разработка МАИ — это шаг вперед для гиперзвуковых аппаратов вроде «Циркона» или многоразовых ракет. Представьте: обычные соты в обшивке самолета легкие, но при скоростях М>5 жар до 2 тыс. градусов их плавит, а конденсат разъедает. Новая же «начинка» пропускает через себя охлаждающую жидкость или газ и отводит тепло. Это позволяет снизить общую массу конструкции на 10–20%, отказавшись от дополнительных теплозащитных слоев. В итоге ракета может взять больше топлива или полезной нагрузки, — поделился военный эксперт Дмитрий Болтенков.
Эксперт указал, что для гиперзвуковых аппаратов это особенно критично. Их носовая часть и крылья выдерживают экстремальные перегрузки свыше 10 ускорений свободного падения (10g), не деформируясь под воздействием высокотемпературного нагрева. Испытания подтвердили, что после 200 секунд в гиперзвуковом потоке, которые необходимо выдержать, конструкция остается целой.
По словам эксперта, новая архитектура превосходит прежние решения. Например, сотовые заполнители плохо отводят тепло и уязвимы для влаги, а системы с водяным охлаждением, как в американском экспериментальном гиперзвуковом аппарате X-43A, получаются слишком тяжелыми.
Как вы считаете, такие технологии быстрее пойдут в космос или в военную сферу?