В МАИ разработали перспективный лёгкий заполнитель для обшивки космических аппаратов и самолётов

В Московском авиационном институте разработали новый тип заполнителя для трёхслойных панелей, которые применяют в обшивке космических аппаратов, самолётов, при производстве отдельных элементов оперения и механизации воздушных судов. Проект нацелен на увеличение массовой эффективности изделий с сохранением или улучшением жесткостных и прочностных характеристик, а также значительное повышение теплоустойчивости конструкции.

При проектировании самолётов и техники, эксплуатируемой в космическом пространстве, инженеры ищут баланс между несовместимыми требованиями. С одной стороны, конструкция должна выдерживать огромные нагрузки в полёте – от аэродинамического давления и перегрузок до нагрева и вибраций. С другой – чем легче аппарат, тем меньше топлива он или связанные с ним системы расходуют и тем больше полезной нагрузки возможно взять на борт. Кроме того, нужно учитывать и условия эксплуатации: перепады температур, влажность, воздействие атмосферных явлений.

– Уже давно в авиастроении нашли компромисс – трёхслойные панели. Они похожи на сэндвич: два прочных внешних слоя и внутренний лёгкий заполнитель между ними. Его распространённый вариант похож на пчелиные соты. Он имеет малый вес, большую удельную прочность, хорошие теплоизолирующие и звукопоглощающие свойства. Однако у него есть недостатки: скопление конденсата внутри, температурные ограничения и относительно низкая стойкость к внешним воздействиям, – уточнил соавтор проекта, доцент и инженер кафедры 602 «Проектирование и прочность авиационно-ракетных и космических изделий» МАИ Антон Волков.

Специалисты МАИ предложили иную структуру заполнителя – конусообразную дискретную. Она отдалённо напоминает упаковку из‑под яиц, но с тщательно просчитанной формой ячеек. Конструкция с таким заполнителем получается исключительно жёсткой, но при этом остаётся лёгкой, сравнимой по массе с классическими сотовыми панелями. При этом внутренняя часть модифицированного «сэндвича» позволяет эффективнее аналогов охлаждать внешний слой, если он подвергается воздействию высоких температур. В первую очередь, это актуально для высокоскоростных летательных аппаратов и теплонагруженных конструкций, включая многоразовые ракетные комплексы.

– Внутри заполнителя может циркулировать жидкость или газ, отводя тепло от нагреваемых элементов. При этом конструкция не теряет способности выдерживать значительные механические нагрузки без критических деформаций, – рассказал Антон Волков. – Но и это ещё не всё. Благодаря использованию данной разработки можно добиться снижения общей массы аппарата. Ведь заполнитель позволяет отказаться от дополнительных защитных материалов, применяемых для теплоизоляции. 

В данный момент ведётся разработка технологического процесса производства заполнителя. Уже изготовлены опытные образцы и проведены физические испытания, которые доказали корректность первоначальных расчётов. Дополнительно выполнено компьютерное моделирование, которое наглядно показало: система отводит тепло, удерживая температуру в безопасных пределах, а конструкция демонстрирует сохранение несущей способности. Также учёные подтвердили, что подобная конфигурация может некоторое время препятствовать возникновению явления ползучести – постепенной необратимой деформации материала под действием постоянной нагрузки и повышенной температуры. Вместе с тем, со слов разработчиков, остаются актуальными некоторые вопросы, связанные с прочностью соединения несущего слоя и заполнителя. Решить их планируется в ходе дальнейших исследований.