Авиационная отрасль сталкивается с многочисленными проблемами из-за более высоких цен на топливо и повышенного внимания к воздействию своих самолетов на окружающую среду и качество жизни. Исследователи ищут новые методы снижения расходов при одновременном повышении общей эффективности, и относительно новый рынок беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) — или дронов — не является исключением.
БПЛА занимают все большее место в авиационных кругах. В новой статье, опубликованной в журнале Composite Structures , Суонг Хоа и его соавторы-студенты представляют метод, позволяющий сделать крылья БПЛА дешевле в производстве и более эффективными в полете.
Хоа — профессор машиностроения, промышленной и аэрокосмической инженерии в Школе инженерии и компьютерных наук Джины Коди. Используя метод Hoa, впервые известный как 4D-печать композитов, авторы провели технико-экономическое обоснование применения нового способа изготовления трансформирующихся крыльев с адаптивной податливостью задней кромки (ACTE). Экспериментальная технология заменяет обычно используемый откидной закрылок на закрылок, который крепится к корпусу основного крыла, но может изгибаться до 20 градусов.
«Наша статья показывает, что БПЛА с крылом такого типа может выдерживать значительную нагрузку для транспортных средств малого и среднего размера», — говорит Хоа, директор Центра композитов Concordia.
Использование материальных реакций
4D-печать похожа на 3D-печать, за исключением того, что она меняет материалы от места к месту. Отдельный материал используется потому, что он реагирует на определенный раздражитель: например, на воду, холод или тепло. Первоначальная печать выполняется на плоской поверхности, которая затем подвергается воздействию раздражителя, вызывая реакцию и изменяя форму поверхности. Четвертое измерение относится к измененной конфигурации некогда плоского материала.
Композитная 4D-печать более сложна. Вместо мягкого тестообразного вещества, обычно используемого в 3D- и 4D-принтерах, он использует жилистую комбинацию длинных тонких нитей, удерживаемых на месте смолой. Каждая нить имеет толщину всего 10 микрон — примерно 1/10 диаметра человеческого волоса. Композитный 4D-принтер раскатывает смесь нити и смолы в ультратонкие слои под углом 90 градусов друг к другу. Затем слои уплотняют и отверждают в печи при 180C, а затем охлаждают до 0C, создавая жесткий, но не хрупкий объект.
Как объясняют авторы в своей статье, это позволяет им создать секцию материала с равномерной кривизной, которая зажата между верхней и нижней поверхностями закрылка. Оно достаточно гибкое и прочное, чтобы выдерживать 20-градусную деформацию, необходимую крылу для маневренности в полете.
«Идея состоит в том, чтобы иметь крыло, которое может легко менять свою форму во время полета, что было бы большим преимуществом по сравнению с самолетами с неподвижным крылом», — объясняет Хоа.
Он считает, что композитная 4D-технология имеет большой потенциал для самых разных приложений. Транспортабельность продукции, по его словам, является главным преимуществом.
«Поскольку он плоский, его легко упаковать и отправить в отдаленные районы, от Крайнего Севера Канады до космоса».
