12 апреля – знаковая для России дата. Именно в этот день советским космонавтом Юрием Гагариным был совершен первый полет в космос. Сегодня человечество ставит перед собой новые цели в освоении космоса. И среди них не только пилотируемый полет на Марс и его колонизация, но и более «земные» задачи.
Детали для самолетов и ракет станут более легкими и прочными
Чтобы летательный аппарат смог достичь своей цели, он должен обладать совершенной конструкцией с необходимой прочностью, быть надёжным и безопасным для космонавта. Поэтому перед учеными стоит необходимость в создании новых сверхпрочных материалов. Сегодня этим занимается группа молодых ученых Южно-Уральского государственного университета под руководством профессора Сергея Сапожникова. Результаты исследований публикуются в высокорейтинговых международных научных журналах, таких как Composites Part B, Composite Structures, International Journal of Mechanical Science и других.
Одна из последних статей — совершенствование конструкции корпуса пневмоцилиндра из композитного материала для аэрокосмических приложений. Пневмоцилиндр представляет собой устройство, приводящее в движение отдельные элементы аппарата. Другими словами, его функции сравнимы с функциями мышц в организме человека. В зависимости от характера движения поршня внутри пневмоцилиндра, на его корпус прикладываются различные усилия, и это необходимо учитывать при проектировании оптимальной структуры его стенки.
Конструкция пневмоцилиндра
«Сложность задачи заключается в необходимости рассматривать тысячи конкурирующих вариантов, что делает практически невозможным чисто экспериментальную оптимизацию. Нами разработана компьютерная программа, которая позволяет перенести центр тяжести работ с экспериментальных на расчётные исследования. Это позволяет ускорить разработку новой техники и повысить весовую эффективность проектируемых конструкций, работающих при непропорциональных нагружениях», — рассказывает заведующий кафедрой технической механики аэрокосмического факультета Политехнического института ЮУрГУ, д.т.н., профессор Сергей Сапожников.
Заведующий кафедрой технической механики ЮУрГУ, д.т.н., профессор Сергей Сапожников
При проведении расчетов на прочность композитов научным коллективом используется программный модуль «FARGR», разработанный в ЮУрГУ. К материалу с известной структурой укладки слоёв задаются условия нагружения, и программа рассчитывает, как он деформируется и разрушается. Учитывается постепенное накопление микроповреждений в слоях в процессе нагружения и возможные нелинейности механического поведения. Этот программный модуль в настоящее время используется ЦАГИ, ЦНИИ им. А. Н. Крылова, ГРЦ им. В. П. Макеева, ОАК и ОДК, а также в ряде ведущих зарубежных авиастроительных компаний и университетов.
Корпус пневмоцилиндра из полимерных композитов (стекло-, углепластик и другие материалы) будет весить почти в три раза меньше, чем сопоставимый по прочности металлический. В связи с этим конструкция нового пневмоцилиндра перспективна не только для самолето- или ракетостроения, но и для применения в надводном и подводном судостроении, где также важен минимальный вес конструкций.
Исследуется прочность конструкций военной техники
Также важно отметить исследование, в котором ученые ЮУрГУ рассматривают, как нагруженность конструкции машины из композитных материалов (а это современные самолёты, вертолёты и суда) может повлиять на её способность сопротивляться высокоскоростному локальному удару. Расчётными исследованиями показано, что предварительная нагруженность конструкции может существенно снизить сопротивление удару, и это необходимо учитывать при проектировании специальной техники. Экспериментальные исследования авторов подтвердили выводы, полученные расчётом.
Кроме того, по смежной тематике в журнале Communications in Computer and Information Science в 2019 году была опубликована еще одна статья ученых ЮУрГУ. Главной задачей исследования стало определение того, как поверхностная обработка тканевого материала влияет на его способность сопротивляться локальным ударам. Так, незначительное утяжеление арамидной ткани за счёт покрытия суспензией ПВА в два раза повышает баллистический предел — скорость ударника, при которой начинается пробой тканевого пакета. Результаты исследования уже нашли применение при производстве защитной экипировки военнослужащих и техники.