Крыло бабочки поможет сделать самолёты легче и прочнее?

Занятный пример сотрудничества учёных из Японии и Китая опубликован в британском научном журнале The International Journal of Mechanical Sciences.

Исследователи из университета Тохоку (Япония) и Уханьского технологического университета (Китай) предложили новый подход к проектированию лёгких авиационных конструкций — решётчатую структуру, вдохновлённую строением крыла бабочки.

В основе идеи лежит не материал, а геометрия: распределение нагрузок через специально организованную архитектуру ячеек.

Ключевая особенность крыла бабочки — сеть жилок, которая равномерно распределяет напряжения при полёте и вибрациях.

Учёные перенесли этот принцип в так называемую “бабочкообразную” решётку, в которой криволинейные и прямые элементы формируют направленную, анизотропную структуру.

Она не просто выдерживает нагрузку, а управляет тем, как нагрузка распространяется внутри материала.

Проблема традиционных конструкций в авиации заключается в локализации напряжений — нагрузка зачастую концентрируется в одной их зоне, что в итоге приводит к разрушению в ней.

Новая архитектура решает эту проблему за счёт перераспределения нагрузки по нескольким траекториям, снижая пики напряжений и предотвращая внезапный слом всей конструкции.

По заявлением исследователей, эксперименты и компьютерное моделирование показали, что такая решётка способна поглощать энергию ударов значительно эффективнее классических аналогов. По данным исследования, удельная энергоёмкость достигает примерно 7,2 Дж/г, что примерно в шесть раз выше, чем у ныне применяемых структур. При этом жёсткость также увеличивается почти в 2–2,5 раза, без существенного роста удельной массы конструкции.

Учёные подчёркивают, что при такой архитектуре поведение всей конструкции изменяется: по мере увеличения нагрузки, она распределяется по всё большему числу “жилок”, минимизируя локальное напряжение, что, в свою очередь, повышает общую прочность конструкции и “отодвигает” момент её разрушения.

Физические испытания новой структуры проводились в условиях динамического удара с использованием высокоскоростных снарядов, имитирующих реальные нагрузки, возникающие при столкновениях или резких перегрузках. Результаты подтвердили, что структура эффективно рассеивает напряжение вместо его концентрации, снижая вероятность катастрофического разрушения.

Особую роль в успешном внедрении данной технологии играют аддитивные технологии производства подобных структур — говоря проще, речь о технологиях 3D-печати. Подобные, геометрически сложные структуры невозможно сформировать традиционными методами обработки материалов, в частности металлов. При этом технологии 3D-печати позволяют создавать такие архитектуры с высокой точностью и повторяемостью.

Практическая перспектива данной разработки в авиации — радикально облегчённые фюзеляжи летательных аппаратов, способные при этом выдерживать экстремальные нагрузки. В долгосрочной перспективе такие решётки могут стать основой нового класса “структурно интеллектуальных” авиационных материалов.

📷 IJMS / Microscopy Australia

#Постфактум #наука #исследования #материалы

Подписывайся на нас в MAX
Онлайн-проект eMAKS
@aviasalonmaks