Самолеты научат “трепетать” крыльями

Такими свойствами обладает прочная и легкая конструкция из стержней и тросов, внешне напоминающая паутину. В такой системе при воздействии внешних сил возникает так называемое распределенное напряжение (tensegrity — «tension» + «integrity»).

«Подобные конструкции не относятся к основным направлениям технического дизайна, хотя и способны выдерживать сильные нагрузки и деформации. Их можно наблюдать и в природе — это и паутина, и клетки протеина, и многие другие биологические формы», — говорит Роберт И. Скелтон, профессор машиностроения и аэрокосмической техники конструкторской школы им. Джекобса при Калифорнийском университете в Сан-Диего.

Проф. Скелтон вместе со своими студентами разработал математический аппарат, позволяющий анализировать силы, возникающие в сложных системах с распределенным напряжением. Ученые также разработали алгоритм оптимизации нагрузок на систему, который поможет конструкторам увеличить прочность конструкций и снизить вес стержней и тросов, сообщает PhysOrg.

Материалы нового поколения обладают механическими свойствами, которые по многим показателям превышают традиционные. В алгоритме по оптимизации нагрузок заложены ограничения на прочность именно для материалов этого класса. Новый метод позволит спроектировать конструкцию необходимой прочности и жесткости с использованием минимального количества материала, что значительно снижает ее себестоимость.

«Крыло самолета, представляющее собой конструкцию с распределенным напряжением, примет заданную форму, когда самолет набирает скорость, но если система недостаточно жесткая, крыло „повиснет“, — поясняет проф. Скелтон. — Наш алгоритм помогает рассчитать конструкцию, которая сохраняет требуемую жесткость при движении».

Предложенный алгоритм использует следующие параметры: угол наклона, отклонение вправо или влево и расстояние между одинаковыми стержнями. Для того чтобы крыло самолета с распределенным напряжением сохранило свою жесткость, алгоритм определяет оптимальную поверхность из расчета этих трех параметров. Затем длина отдельных тросов меняется, с тем чтобы рассчитать оптимальную форму крыла.

#gallery#

Концепция инженерных систем с распределенным напряжением существует уже более 50 лет. Среди ее приверженцев — архитекторы Бакминстер Фуллер и Кеннет Снелсон. Их скульптуры из стальных стержней и тросов инженеры до недавнего времени не воспринимали всерьез и считали их творения не более чем любопытными музейными экспонатами. Для того чтобы эта концепция могла использоваться при проектировании инженерных систем, необходимо было разработать соответствующий математический аппарат. Метод проф. Скелтона поможет проектировать качественно новые конструкции — например, крылья самолетов, которые станут двигаться наподобие птичьих.