Отчет о научно-исследовательских работах, выполненных в рамках реализации программы создания и развития центра мирового уровня «Сверхзвук» по направлению «Прочность и интеллектуальные конструкции» за 2021 год

В исследованиях, проведенных в рамках первого этапа НЦМУ «Сверхзвук» в лаборатории №3 ЦАГИ, по конструкции перспективного СПС были сформулированы основные требования к конструктивно-силовой схеме и конструкционным материалам с учетом: - специфики планера на режимах до- и сверхзвукового полета, - требований по безопасности, - ограничений по экологии и комфорту, - требований по условиям эксплуатации и экономичности. Данные требования легли в основу дельнейших фундаментальных исследований по конструкции перспективных СПС, проведенных в рамках 2-го этапа, которые формально были разделены на два направления исследований, включающих как исследования самой конструкции планера СПС, так и инструментария (расчетных и экспериментальных методов и методик и их реализаций), необходимого для качественного, адекватного и оперативного исследования таких конструкций. Следует отметить, что эти два направления взаимосвязаны друг с другом. Конструктивные особенности планера СПС диктуют необходимость разработки соответствующего инструментария для учета/исследования этих особенностей, в то же время появление нового инструментария позволяет найти новые, более эффективные конструктивные решения. В качестве основных особенностей конструкций СПС нового поколения, рассматриваемых в настоящей работе, следует выделить: - большое удлинение носовой части фюзеляжа, - малые строительные высоты крыла, - верхнее расположение воздухозаборников, - новая геометрическая форма крыла и оперения. Эти особенности стали результатом поиска аэродинамиков и двигателистов рациональной компоновки СПС, позволяющей в максимальной мере снизить уровень звукового удара при полете на сверхзвуковых скоростях и уровень звуковой эмиссии на режимах взлета/посадки и набора высоты. Характер данных особенностей в свою очередь требует поиска новых нетрадиционных конструктивно-силовых схем и новых нелинейных методов анализа прочности и проектирования подобных конструкций. В первую очередь это относится к поиску рациональных конструкций на основе новых про-композитных гибридных КСС для носовых отсеков фюзеляжа, включая гермокабину пассажирского салона. Необходимость этого связана с отсутствием необходимого потенциала традиционных обшивочных КСС (как в металлическом, так и в композитном исполнении) для реализации сформированных требований к конструкции перспективного СПС без значительного увеличения её массы. В данной работе для конструкции планера СПС рассматриваются фундаментальные вопросы, связанные с разработкой рациональных конструкций, крыла и фюзеляжа перспективного СПС с использованием специальных бионических принципов: - наличие жесткого высокопрочного композитного / металлического каркаса (скелета), воспринимающего все основные глобальные нагрузки на конструкцию планера, - использование прочных эластичных (3D-армированных композитных обшивок для формирования аэродинамических обводов и герметизации внутренних отсеков, - формирование многоуровневой системы защиты каркаса от ударных и климатических воздействий, построенной с использованием штатных элементов конструкции, воспринимающих локальные нагрузки и обеспечивающих герметичность, тепло- и звукоизоляцию, - создание встроенной системы мониторинга механических и ударных воздействий для ответственных зон композитной конструкции на основе оптоволоконной системы (аналог нервной системы) и пьезо/тензо датчиков. Исследования использования бионических принципов в той или иной мере рассматривались ранее применительно к конструкциям дозвуковых самолётов (проекты «MANGO» 1, «МА 19-20»2). Однако в настоящей работе применение данных принципов рассматривается на более глубоком (фундаментальном) уровне: - Что касается разработки каркасной конструкции фюзеляжа СПС, то для нее была рассмотрена сетчатая конструкция с изменением угла наклона спиральных ребер, для которой была обоснована её технологическая реализуемость. - В рамках многоуровневой системы защиты реберного каркаса был исследован важный конструктивных элемент (накладка), играющий роль надкостницы в конструкции живых скелетных организмов. Была рассмотрена накладка с переменной жесткостью по толщине, что позволит не только обеспечить более эффективное противодействие ударным воздействиям, но и гармонизировать взаимодействие жестких элементов каркаса с элементами эластичных обшивок. - Относительно системы мониторинга были рассмотрены альтернативные варианты встроенных систем мониторинга с использованием внутреннего пространства накладок. Характер конструктивных изменений, принятых для СПС нового поколения, потребовал разработки нового инструментария для адекватного, с точки зрения возросшей сложности и трудоемкости необходимых вычислений, анализа прочности рассматриваемых метало-композитных конструкций планера, сформированных с использованием бионических принципов. В настоящей работе рассмотрены основные требования к разработке новых нелинейных методов и алгоритмов, а также дан обзор существующих подобных методов. Что касается разработки новых методов, то основные усилия были направлены на: - развитие нелинейных методов анализа ударной прочности однонаправленных реберных структур с многоуровневой системой защиты, - создание упрощенных оперативных аналитических методов анализа аэроупругости анизотропных плоских конструкций несущих поверхностей, - разработке упрощенных оперативных методов МКЭ по оценке влияния физической и геометрической нелинейности композитной конструкции подкрепленных панелей, - формирование простых и надежных критериев появления первичных разрушений в металлических сплавах. Результаты проведенных в работе исследований были валидированы на семинарах, проведенных в рамках НЦМУ «Сверхзвук», а также в рамках конгресса ICAS-2021, конференции EASN и семинара IFAR. По результатам исследований был выпущен ряд печатных работ.