Многие пассажирские самолеты летают сегодня со скоростью около тысячи километров в час, то есть чуть-чуть медленнее звука. Преодолеть этот барьер гражданская авиация попыталась в последней четверти прошлого века. Сверхзвуковые лайнеры — советский Ту-144 и англо-французский “Конкорд” — даже стали совершать регулярные рейсы. И все же от их эксплуатации пришлось отказаться. Технические возможности того времени не позволяли делать быстрокрылые машины экологически приемлемыми и экономически выгодными. Но мы живем в другом веке и, можно сказать, в другом измерении. Не пора ли вернуться к идее сверхбыстрых перелетов? Как выяснилось, от нее и не отказывались. Ученые и конструкторы все это время ищут новые решения, позволяющие создавать самолеты, в числе достоинств которых — небывалая скорость. Многообещающие исследования в этом направлении ведут сотрудники кафедры вычислительной математики и математической физики Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана кандидаты физико-математических наук Андрей ЗАХАРОВ (на нижнем снимке) и Александр СОКОЛОВ (на верхнем снимке). Их работа отмечена грантом Президента РФ для молодых ученых. Вот что они рассказали в беседе с нашим корреспондентом.
Александр Соколов: — Обычные материалы, используемые в самолетостроении, такие как дюралюминий, хорошо работают при дозвуковых скоростях. Но они не выдерживают больших температурных нагрузок, возникающих при сверхзвуковых полетах. Например, когда скорость звука превышается в пять раз, отдельные участки корпуса могут нагреваться до двух тысяч градусов. Это выше, чем температура плавления стальных или титановых сплавов. Поэтому традиционные металлы в таких случаях не подходят. Нужно придумать что-то новое. Мы остановились на углеродно-кремниевых композитных материалах. Они достаточно тугоплавки, но их свойства изучены еще недостаточно хорошо. Цель нашей работы, на которую выделен грант, — построить теоретическую модель, способную рассчитать все температурные и механические напряжения, действующие на крыло сверхзвукового самолета, сделанного из композитного материала. Тогда станет ясно, пригоден ли карбидокремниевый сплав для сверхбыстрых полетов. Можно отметить, что подобные сплавы применяются в военной и космической технике. Но там совершенно другие задачи, так как высокие нагрузки действуют только короткое время. А пассажирские самолеты должны, как вы понимаете, выдерживать многочасовую нагрузку.
— Как вы собираетесь решать эту задачу?
Андрей Захаров: — Я рассчитываю аэродинамику летательного аппарата, то есть его взаимодействие с окружающим воздухом, в том числе учитываю процессы теплообмена. Эта задача в общем виде не решена. Поэтому приходится проводить численные расчеты для каждого вида моделей. А Александр на основе этих расчетов вычисляет оптимальную форму самолета. Конечная цель — выяснить предельные скоростные нагрузки для каждого материала и создать компьютерные технологии, помогающие проектировать всю конструкцию.
— Поясните это на каком-нибудь примере.
А.С.: — Предположим, есть проект самолета или даже готовое изделие, и требуется, чтобы летательный аппарат тратил меньше топлива и при этом покрывал большие расстояния. Машина имеет сложную обтекаемую форму, рассчитанную исходя из тех нагрузок, которые она будет испытывать в полете. Мы проводим с ней компьютерные эксперименты: строим трехмерную модель и помещаем ее в “виртуальный” поток воздуха. Параметры набегающего потока определяем в соответствии с исходными данными. Это скорость, высота, давление, плотность воздуха. Есть определенные численные методы и математические модели, которые позволяют получить, например, распределение температуры вблизи корпуса. Сначала она как-то изменяется, но постепенно выходит на стационарный режим. Эту задачу решает Андрей. А я на основе полученных данных рассчитываю механические напряжения в корпусе самолета. Для традиционных материалов, таких как легкие однородные алюминиевые сплавы, этот расчет давно отработан. На его основе инженеры “вырезают” те части конструкции, без которых можно обойтись. В результате общая масса летательного аппарата значительно снижается.
Но мы хотим пойти дальше, а для этого требуется заменить алюминий на что-то более перспективное, например на карбидокремниевый композиционный материал. Он достаточно прочный и имеет высокую температуру плавления — около двух тысяч градусов, а кроме того, его физические характеристики можно изменять в зависимости от поставленной цели. Скажем, в области крыла придать ему одни параметры, в хвосте — другие и т.д. Но здесь есть оборотная сторона — очень трудно рассчитать, как будут распространяться механические и температурные напряжения в таком неоднородном по составу материале. Эта задача еще не решена.
— А каким образом можно изменить свойства материала?
А.З.: — Композиты — это рукотворные материалы, собираемые из разных компонентов. Они могут иметь волокнистую структуру, как стеклопластики или углепластики, содержать специальные нанопорошки и т.п. Их можно производить с учетом тех нагрузок, которые будет испытывать изделие. То есть фактически композиты разрабатываются под ту конструкцию, в которой они будут использоваться. Возьмем, к примеру, обычную ткань. Ее свойства сильно зависят от того, в какую сторону ее растягивать. На многие участки летательного аппарата нагрузки распределяются неравномерно. В каком-то направлении они действуют достаточно сильно, а в перпендикулярном к нему — не очень. Тогда нет смысла закладывать туда материалы с анизотропной прочностью. Проще говоря, нельзя сделать один идеальный во всех отношениях композит. И не нужно: выигрывая в чем-то одном, мы проигрываем в другом. Но если мы знаем, как распределены нагрузки в конструкции, то можем сказать: материал должен быть прочным по одним параметрам и может быть слабым по другим. В конечном счете, наша задача — помочь разработчикам приготовить различные композиционные материалы, оптимально подходящие для создания тех или иных фрагментов летательного аппарата.
— Почему вы выбрали карбид кремния?
А.С.: — Сейчас это наиболее перспективный материал. Ведь самый крепкий природный минерал алмаз состоит именно из углерода. А в сочетании с кремнием получается и вовсе уникальное вещество, выдерживающее рабочие температуры более 2000 градусов. При этом его плотность в три раза меньше, чем у жаростойких сплавов.
— А если окажется, что этот материал все же не годится для создания сверхбыстрых пассажирских самолетов?
А.З.: — Это не исключено. Мы стоим в начале пути, по которому никто еще не ходил. Наша задача выяснить, подойдут ли карбидокремниевые композиционные материалы для создания принципиально новых летательных аппаратов. Если окажется, что такое возможно, то мы передадим свои разработки инженерам-конструкторам. Если же результат будет отрицательным, все равно наша работа не пройдет даром. Сейчас самолетостроение достигло такого уровня, что возникла необходимость отходить от однородных материалов, какими бы хорошими они ни были. Образно говоря, наступает время “узких специалистов” — неоднородных композитов. Каждый из них будет “силен” только в своей области нагрузок. Поэтому нужно уметь рассчитывать распределение напряжений и температур в сильно “разношерстной” конструкции.
Я поинтересовался у молодых ученых, занимаются ли они чем-нибудь еще, помимо исследовательской деятельности. Оказалось, что оба преподают на своей кафедре. Андрей работает на полставки, а Александр — на полторы!
— Не мешает ли преподавательская деятельность научной работе?
А.С.: — Нет, несмотря на то что она отнимает много времени. Ведь приходится основательно готовиться, находить новые решения для старых задач. Благодаря нестандартным вопросам студентов часто иначе смотришь на хорошо знакомую тему. Открываешь для себя новые связи между известными явлениями. У нас на кафедре был интересный случай. Одного студента собирались отчислить за неуспеваемость, но дали ему шанс. Прошел год, и этот студент увлекся научной работой и создал вычислительный алгоритм, который превосходил по эффективности те, что разрабатывались у нас в течение нескольких лет. Получается, человек может быть талантливым и, тем не менее, испытывать трудности при усвоении материала. Сейчас мы помогаем студентам овладеть нужными знаниями, а впоследствии, надеемся, они примут участие в решении наших задач.
Беседовал Василий ЯНЧИЛИН
Фото Андрея МОИСЕЕВА
Нет комментариев