Возможность и перспективы использования нанотехнологии в авиационной отрасли

Программа «развитие гражданской авиационной техники России на 2002–2010 годы и на период до 2015 года» предусматривает разработку перспективной авиационной техники, повышающие технико-экономические показатели современной летательных аппаратов на 20... 25 %. В связи с этим необходимо разработать конструкторские и технологические решения, касающиеся всех агрегатов и систем воздушных судов. Возможности обычных методов и традиционных материалов, применяемых при проектировании летательной техники, постепенно приближаются к насыщению. В результате продвижения вперед замедляется, требуя все больших усилий и материальных затрат.

В последние годы стремительно развивается новое направление науки и техники нанотехнология. Рассмотрим перспективы использования достижений нанотехнологии в решении задач, стоящих перед авиационной отраслью.

Потенциальные выгоды от применения нанотехнологии заключаются в использовании наноструктурированных материалов с высокими эксплуатационными качествами. Это позволит создать более легкую и эффективную технику с уменьшенными потреблением энергии и влиянием на окружающую среду. Правительства промышленно развитых стран уделяют большое внимание развитию этого направления.

В 2001 г. Администрация США приняла программу «Национальная инициатива в области нанотехнологии: путь к новой промышленной революции». Программе присвоена самая высокая степень научно-технической важности; за последние пять лет финансирование по этим направлениям науки и техники увеличилось в 10 раз.

Интенсивные исследования по нанотехнологии ведутся и Европе. В частности в Германии создано восемь научных центров, которые активно занимаются проблемами нанотехнологии.

Наиболее ощутимый эффект возможен от использования нанотехнологии в авиации по направлениям представленным на рис. 1.

Рис. 1. Основные направления использования нанотехнологии в авиации

Прочность. Прежде всего — это вопрос прочности конструкции. Создание алюминиевых и титановых сплавов, армированных углеродными нанотрубками, нанопокрытий в зоне концентраторов напряжения, разработка авиационных конструкций, в том числе композитных конструкций, которые используют наноэлементы. Все это задачи, представляющие наиболее перспективное и быстрое продвигаемое направление, способное дать существенный эффект.

Использование современных конструкционных материалов ограниченно тем, что увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Преимуществом материалов с наноразмерной структурой является повышенная пластичность с возможностью снижения в них остаточных напряжений.

Например, наносплавы на основе титана обеспечивают увеличение относительных деформаций в диапазоне 20…35 % при увеличении прочности приблизительно в два раза. За счет использования нанотехнологии в ближайшие десятилетие прогнозируются увеличение прочности основных конструкций металлов в 1,5–3 раза.

Получение массивных нанокристаллических заготовок с равномерной структурой (без пор, микротрещин и других дефектов) дает возможность обеспечить стабильность свойств и более точно определить несущую способность материала. Это позволит снизить массу конструкции. Ресурс изделий для авиации, изготовленных по нанотехнологиям, повышается на 200…500 %.

В настоящее время при решении задач прочности и управления деформациями конструкций наилучших характеристик элементов и устройств можно достичь путем использования композиционных материалов.

Научно-технические предпосылки использования наномодифицированных композиционных материалов в конструкциях летательных аппаратов связаны с характеристиками углеродных нанотрубок (УНТ), прочностные характеристики которых в сравнении со сталью приведены ниже:

УНТ Сталь

Модуль Юнга, Па…………………………………...1,28…1,8∙ 0,21∙

Прочность на разрыв, ГПа……………………………..45∙ 2∙

Использовать УНТ непосредственно в конструкциях невозможно, но применение этих трубок в качестве наполнителя — упрочнителя в композиционных материалах весьма эффективно не только из-за их необычайной прочности, но так же вследствие увеличения площади межфазной границы нанокомпозитов по сравнению с наполнителями обычных размеров. При изменении размеров наполнителя от микрон до нанометров площадь межфазной границы при той же объемной доле может увеличиться более чем в 30 раз.

Расчетно-экспериментальные исследования показывают, что долговечность образца с концентратором напряжений в виде отверстия определяется процессом роста существующих микротрещин, расположенных на кромках и на поверхности отверстия.

При сборке планера большого пассажирского самолета сверлится несколько миллионов отверстий, которые являются концентраторами напряжений. При сверлении отверстий в них образуются множество технологических микродефектов (микротрещин).При циклическом нагружении процессе эксплуатации эти микродефекты развиваются, значительно сокращая ресурсы самолета. Исследование образцов алюминиевых сплавов показали существенную зависимость долговечности (N — число циклов) от размера начального микродефекта.

Можно предполагать, что нанесение бездефектных слоев наноструктурированного материала на кромки и на поверхность отверстия приведет к повышению прочности, долговечности и живучести за счет комплексного воздействия, а именно:

при нанесении нанослоев возможно самозалечивание существующих микротрещин на поверхности и на кромках концентратора напряжений;

нанесенный слой своим присутствием может сдвигать зону материала с микротрещинами в область меньшей концентрации напряжений;

этот слой может защищать от влияния окружающей коррозионной среды материал в зоне концентрации напряжений и тем самым замедлять процесс роста микротрещин.

Методика формирования наноструктуры материала в виде бездефектных слоев и пленок близка к практическому использованию.

Аэродинамика. Снижение сопротивления летательных аппаратов является важнейшей задачей аэродинамики. Уменьшение сопротивления самолетов, выполняющих длительный крейсерский полет, приводит к значительному снижению расхода топлива.

Величину сопротивления современного транспортного самолета можно разделить на две составляющие, имеющие разную физическую природу: сопротивление давления и сопротивление трения. На каждую из них приходится примерно половина общего сопротивления самолета.

Сопротивление трения может быть уменьшено на 80 %, если изменить режим течения в пограничном слое на всей поверхности летательного аппарата с турбулентного ламинарный. В связи с этим необходимо создание устройств для ламинаризации пограничного слоя. По оценкам специалистов, с их помощью можно получить ламинарное обтекание 30 % площадки крыла и оперения самолета, что приведет к снижению сопротивления трения 25 % и полного сопротивления — на 10 %.

Специалисты ЦАГИ разработали систему, с помощью который можно управлять пограничным слоем посредством гибкой ленты шириной~10 мм и толщиной 0,1…1 мм, наклеиваемой на поверхность крыла самолета параллельно его передней кромке. Лента должна иметь разъемы для подключения компьютера, который управляет работой системы в соответствии с характеристиками пограничного слоя в месте установки.

Действие устройства заключаются в уменьшении на 1–2 порядка амплитуды неустойчивых возмущений, проходящих над лентой. В результате пограничный слой должен оставаться ламинарным на расстоянии 20…50 см за лентой (при условии ламинарного течения перед ней). На поверхности ленты должны быть расположено большое количество сенсоров и актуаторов (исполнительных механизмов, вносящих малые возмущения в пограничный слой). В качестве актуаторов можно использовать микронные полости с пьезокристаллом, вибрации которого образуют вихревую пару, равную по амплитуде и обратную по направлению вращения возмущениям пограничного слоя. Заданную связь между сигналами датчиков и действием актуаторов осуществляет микросхема, расположенная внутри ленты.

Характерные размеры актуаторов и сенсоров должны быть порядка 100 мкм. (При их изготовлении необходимо использовать нанотехнологии.) Рынок сбыта таких устройств очень велик, поскольку они позволяют существенно повысить экономичность не только новых, но и находящихся в эксплуатации самолетов.

В настоящее время в ЦАГИ построен простой и эффективный алгоритм системы управления пограничным слоем при распределенном расположении бесконечно малых актуаторов и сенсоров [2]. Имеются необходимый математический аппарат и программные средства разработки таких алгоритмов для актуаторов и сенсоров конечных размеров, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

Возможно также применение нанотехнологий для непосредственного изменения свойств аэродинамической поверхности. Ученые ЦАГИ разработали и проверили экспериментально методику наномодификаций поверхности различных металлов с помощью ионной имплантации [3]. Эксперимент показал (рис. 2), что за счет имплантирования ионов некоторых металлов можно существенно повлиять на величину коэффициента аккомодации :

 где  — поглощенная мощность; .

Рис. 2. Изменение коэффициента аккомодации с помощью нанотехнологии (1-исходная поверхность; 2-модифицированная поверхность)

Это есть прямой путь к решению задачи, связанной, в частности, с уменьшением коэффициента трения.

Разработанная методика ионной имплантации также может повлиять на коэффициент теплопередачи. Было доказано, что при испытании модифицированного образца, в поверхность которого внедрены ионы соответствующих материалов, коэффициент теплопередачи уменьшается на 15 %.

Актуален также вопрос защиты самолета от обледенения, который напрямую связан с проблемой безопасности и технического обслуживания. На рис. 3 показано влияния толщины обледенения передней кромки крыла на зависимость коэффициента подъемной силы от угла атаки (получено при испытаниях модели в аэродинамической трубе). Наличие даже небольшого количества льда на передней кромки может привести к существенному снижению максимального значения коэффициента подъемной силы, что негативно влияет на условия взлета или посадки.

Рис. 3. Влияние льда различной толщины на зависимость коэффициента подъемной силы от угла атаки α

По нашим оценкам, нанотехнологические методы создания гидрофобных поверхностей позволяет существенно продвинуться в решении проблемы обледенения. Для этого необходимо создать такую гидрофобную поверхность или пленку, наклеиваемую на переднюю кромку крыла, которая препятствовала бы образованию льда, а в случае его появления полностью устраняло бы его с помощью нагрева или деформации формы.

Например, можно разработать многослойное покрытие, состоящие из очень тонких пластинок-«чешуек», которые отделяются от поверхности при достаточном малом касательном напряжении. Появившийся на такой поверхности лед должен сдуваться потоком. Такая поверхность должна легко очищаться от прилипшей грязи и насекомых, что даст дополнительную возможность обеспечить в процессе эксплуатации гладкую поверхность самолета, необходимую для снижения сопротивления трения.

Известно, что гидрофобная поверхность не является абсолютно гладкой, а обладает шероховатостью определенного размера. Подобной поверхностью обладает лист индийского лотоса (рис. 4). Как показали эксперименты, проведенные в гидроканале, искусственно созданная в лабораторных условиях шероховатость поверхности лотоса на различных телах позволила снизить сопротивления трения на 15…20 % [4]. Размер этой шероховатости находится ниже уровня аэродинамической гладкости, поэтому ее можно использовать для устранения обледенения на передних кромках крыльев и воздушных винтов. Если такая поверхность будет иметь переменную шероховатость, то капля начнет двигаться в сторону лучшей смачиваемости (т. е. меньшей гидрофобности), что окажет благоприятное действие в районе точки торможения, где касательные к поверхности скорости потока малы.

Рис.4. Наноструктурная поверхность листа лотоса, полученная с помощью электронного сканирующего микроскопа [4]

Заметность. Третьей областью применения нанотехнологий является создание наноструктурных суперпоглащающих покрытий для решения важной задачи — снижения заметности летательных аппаратов в широком диапазоне длин волн. Говоря об оптической и радиозаметности можно утверждать, что на этом пути нас ожидают прорывные решения, которые обеспечат существенное повышение эффективности боевой техники.

При проектировании летательных аппаратов с пониженным уровнем заметности не всегда можно добиться успеха только за счет выбора компоновочной схемы и придания ЛА малоотражающей формы. Множество ограничений и требований, предъявляемых к ЛА в части аэродинамики, прочности, управляемости и т. д., не позволяют в полной мере использовать многие компоновочно — конструктивные способы снижения заметности. В ряде случаев возникает необходимость изготовления элементов ЛА из конструкционных поглощающих материалов или нанесения на эти элементы несиловых поглощающих покрытий.

Основным техническим решением снижения заметности корпуса таких тел является использование селективных покрытий. Использование штатных лакокрасочных покрытий не привело к решению проблемы. Исследование показали, что по истечению нескольких месяцев после нанесения такого покрытия поверхность становится практически матовой. В связи с этим при разработке новых покрытий одним из основных требований является обеспечение устойчивых отражательных свойств.

При формировании требований к оптическим свойствам разрабатываемых покрытий использования традиционных интегральных коэффициентов поглощения и отражения недостаточно, поскольку при этом не учитывается направленность оптических свойств материала. К указанным характеристикам необходимо добавить направленный коэффициент излучения и двунаправленный коэффициент яркости.

Сложность проблемы снижения заметности состоит в том, что поглощающие материалы должны быть следующими:

достаточно легкими, чтобы не увеличивать массу аппарата;

иметь малый коэффициент отражения в широком диапазоне длин волн электромагнитного излучения;

практичными в эксплуатации при различных климатических условиях;

доступными при ремонте.

Предварительные оценки показывают, что при уменьшении поверхности поглощающих элементов до некоторых критических, магнитные т электрические свойства поверхности получают качественные изменения. Таким образом, с использованием последних достижений в нанотехнологии появляется возможность создания поглощающих структур на основе новых физических принципов. Для этой цели могут быть использованы, например, слои полимерных матриц с наполнителями в виде линейных (нанотрубки, волокна, микропровод), поверхностных (чешуйки, пленки) и объемных (фуллерены, микросферы) элементов. Слои из таких пленок будут обладать качественно новыми радиопоглощающими свойствами.

Измерительные системы. Четвертая область применения нанотехнологий связана с проведением экспериментальных исследований, необходимых при разработке новой авиационной техники. Прежде всего это модели для аэродинамического эксперимента и измерительная аппаратура, т. е. датчики для измерения давления, трения, температуры на основе нано- и MEMS — технологий. Измерительная аппаратура требуется не только для проведения эксперимента на моделях в аэродинамических трубах, но и для летательных аппаратов.

В настоящее время состояние самолета контролируется по общим интегральных характеристикам, и в процессе полета нельзя получить точную информацию о состоянии конструкции и условиях обтекания в конкретной точке самолета. Решения задачи глобального мониторного параметров обтекания самолетов возможно на основе использования нано- и MEMS — датчиков, которые могут дать точную и объемную информацию о состоянии конструкции и потока и мерах воздействия на это состояние с точки зрения улучшения условий работы несущих элементов самолета.

В рамках экспериментальных исследований динамически подобных моделей наиболее трудной задачей является создание модели, соответствующей натурному объекту и точно воспроизводящей все необходимые упругомассовые характеристики [5]. В этом случае очень часто приходится сталкиваться с перетяжелением модели относительно натурального объекта. Коэффициент перетяжеления может составлять от 1,3 до 2. Это означает, что масса модели может быть превышена на 30…100 %. Неточность при моделировании свойств натурного объекта будет отрицательно сказываться на достоверности результатов эксперементов.

Избежать этого нежелательного явления можно, если применить материалы с более высоким удельным модулем упругости — например, углеродные нанокомпозиты с комплексом свойств, превосходящих свойств материалов натурной конструкции. Итак моделирование ЛА — это одна из областей научных и экспериментальных исследований, где впервые могут быть применены новые разрабатываемый на основе нанотехнологий полимерные композиционные и другие конструкционные материалы.

Литература:

1.      Доценко А. М., Полякова А. Н., Мишин В. И., Горячев В. И. Влияние технологии на долговечность образца с отверстием // Авиационная промышленность. 1990. № 7. С. 75–78.

2.      Мануйлович С. В. Об одном методе активного подавления волн неустойчивости в ламинарном пограничном слое // Докл. АН. 2006. Т. 406. № 3. С. 337–340.

3.      Kogan M. N., Skvortsov V. V., Zabolotny V. T., Uspenskii A. A. Using of ion technology for reducing aerodynamic heating // Journal of Advances Materials. 1994. 1(3). P. 246–252.

4.      Balasubramanian A., Miller A., Traub L., Rediniotis O. K. Biomimetic Nanostructure Skin For Hydrodynamic Drag Reduction // AIAA 2003–785.  Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 6–9 January 2003, Reno, Nevada.

5.      Смотрова С. А. Об использовании наноматериалов и нанотехнологий для изготовления конструкций ДПМ, применяемых при изучении явлений аэроупругости в АДТ // Тр. ЦАГИ. Вып. 2675. 2007. С. 188–193