CC BY
168
Том XXXVIII
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 20 0 7
№ 3 — 4
УДК 629.7.015.4 + 669.017 620.22.004:629.7
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ АДАПТИВНЫХ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЛАВОВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ
И. Э. ВЯХХИ, П. Д. ГОНЧАРУК М. А. ИВАНЬКИН, Г. Н. ЛАВРУХИН, А. А. МОВЧАН,
В. Н. СЕМЕНОВ, А. Ф. ЧЕВАГИН
Особые свойства материалов с памятью формы и их использование для управления напряженно-деформированным состоянием конструкции. Математические модели активных элементов конструкции и принципы их проектирования. Технология подготовки устройств адаптации формы конструкции к работе. Результаты испытания модели адаптивного воздухозаборника в аэродинамических трубах с подогревом потока.
1. Применение активных материалов для управления формой конструкции. Ключевым
звеном формирования перспективного летательного аппарата (ЛА) является создание
интеллектуальной многофункциональной конструкции, способной адаптироваться к
выполняемому заданию и условиям полета. При этом конструктивно-силовая схема ЛА должна обеспечивать высокий уровень пространственной преобразуемости основных подконструкций, их плавное варьируемое бесщелевое сопряжение и возможность тонкой локальной
аэродинамической настройки внешних поверхностей. Использование активных элементов и устройств адаптация позволит выполнять самонастройку формы ЛА к режиму полета для оптимального выполнения поставленных задач, т. е. проявлять свойства «интеллекта». Применение интеллектуальных материалов и устройств [1, 2] в перспективе позволит наиболее эффективно решать следующие задачи прочности и формообразования:
саморегулирование формы элементов (воздухозаборники, форма и профиль крыла); активное управление формой ЛА, его геометрией и жесткостью связей элементов; мониторинг и самодиагностика конструкции; снижение нагруженности конструкции;
создание дополнительной прочности при нештатном нагружении; демпфирование колебаний и управление вибрациями;
самовосстановление разрушаемых элементов конструкций, заживление трещин; самовосстановление по истечении времени нарушенной формы; управление вектором тяги сопл и маневренными характеристиками.
Наиболее высоких удельных силовых и деформационных характеристик элементов и устройств для преобразования формы можно достичь при использовании в них активных элементов, изготовленных из сплавов с памятью формы (СПФ) [3, 4].
2. Свойства сплавов с памятью формы. Причинами уникального механического поведения СПФ [3, 5] являются происходящие в них при изменении температуры или напряжения термоупругие фазовые превращения. Они представляют собой полиморфный переход из аустенитного состояния (высокотемпературное с повышенной прочностью и жесткостью) в мартенситное состояние (низкотемпературное, с малой жесткостью) и обратно.
Превращение из аустенитного (А) состояния в мартенситное (М) называют прямым переходом (А ^ М), а из мартенситного состояния в аустенитное — обратным переходом
(М ^ А). Поскольку кристаллы фаз имеют различную форму, то в ходе перекристаллизации
тело изменяет внутреннюю структуру, при этом некоторые полиморфные сплавы изменяют и внешнюю форму.
При охлаждении нагруженных элементов из СПФ через интервал температур прямого мартенситного превращения в них генерируется макроскопическая деформация, связанная с фазовым переходом, или «фазовая» деформация, девиатор которой соосен девиатору действующего напряжения. При этом интенсивность фазовой деформации возрастает с ростом напряжения, возникающего за счет приложения внешних сил, и может на два порядка превосходить интенсивность упругой деформации, соответствующей действию того же напряжения (явление накопления деформаций прямого превращения). Если далее образец из СПФ, находящийся в мартенситном состоянии и обладающий фазовой деформацией, нагреть через интервал температур обратного мартенситного превращения, то независимо от того, приложены или нет к нему какие-либо напряжения, эта фазовая деформация будет сниматься (уменьшаться), т. е. восстановится исходная форма, и этот эффект получил название «эффекта памяти формы» (ЭПФ). При противодействии возвращению образца в исходную форму в нем возникают так называемые «реактивные»
напряжения, величина которых, например, в никелиде титана (N1X1) может доходить до 800 МПа, а в некоторых сплавах может приводить к саморазрушению. На этапе обратного превращения реактивные напряжения могут совершать полезную работу. Для СПФ характерно также наличие ряда других явлений, таких как явления ориентированного превращения, мартенситной неупругости, обратимый (двухнаправленный) эффект памяти формы, ромбоэдрическое превращение и др., которые проявляются в определенных условиях.
Многообразие новых свойств СПФ позволяет использовать их как в комплексе, так и отдельные их составляющие для достижения наилучшего эффекта. Так, для самолета Ту-204 разработаны термомеханические муфтовые соединения трубопроводов из сплава №Т^ использующие собственно эффект памяти формы. Обоснована эффективность использования для управления деформациями замкнутых силовых контуров конструкции существенного (в 2 — 3 раза) изменения модуля упругости СПФ как при ориентированном, так и при изотропном мартенситном преобразованиях [6]. Реактивные силы используются, например, для разрушения монтажных хомутов при сборочных работах в космосе [3]. Приемы создания формостабильных конструкций описаны в работе [7].
3. Использование СПФ для саморегулирования воздухозаборника. Особенно эффективно изменение формы обтекаемой поверхности в зависимости от режима полета при регулировании площади горла воздухозаборника, причем степень улучшения характеристик тяги (ЛСт ) силовой установки за счет регулирования увеличивается с ростом скорости (числа М^).
Сравнительные данные по увеличению тяги ПВРД при регулировании горла воздухозаборника по отношению к тяге ПВРД с нерегулируемым воздухозаборником представлены в табл. 1 (критическое сечение сопла регулируется в обоих случаях) [8].
Большинство ЛА с прямоточными
воздушно-реактивными двигателями имеет нерегулируемые воздухозаборники, что приводит к недобору тяги. Это связано с большой сложностью традиционных конструктивных решений,
предусматривающих наличие датчиков, приводов и системы управления. Использование сплавов с памятью формы (СПФ) позволяет совместить в достаточно простых по форме активных элементах
Т аблица 1
Сопоставление тяги двигателей с регулируемым и нерегулируемым воздухозаборником
Мш 2.5 3 3.5 4 4.5
к* 1 1.2 1.5 1.57 1.77
*к--
(ЛСт ),
рег
- коэффициент соотношения тяги
т/нерег
конструкции функции датчика, анализатора и привода. По существу это определение процентного состава СПФ, обеспечивающего прохождение мартенситных преобразований и связанных с ним изменений формы в определенном диапазоне температур, а также термоциклирование, предопределяющее траектории перемещения избранных точек конструкции. Высокие скорости полета позволяют решить проблему управления формой без создания сложных систем, а именно, посредством использования аэродинамического нагрева конструкции ЛА в зависимости от скорости полета. Температура торможения потока во всех рассмотренных случаях достаточна для нагревания обтекаемой поверхности конструкции и обеспечивает срабатывание активных элементов.
Математическая модель активного одноразового элемента. Рассмотрим активный элемент как криволинейную консольную балку постоянного сечения (рис. 1, а), имеющую в исходном аустенитном состоянии форму дуги окружности радиуса Я0) и длины Ь. Толщина балки Н в плоскости ее кривизны удовлетворяет условию
Н/Л0 = 1. (1)
Процедура задания начальной фазовой деформации состоит в следующем. Один конец балки жестко защемляется, а к другому в аустенитном состоянии прикладывается изгибающий момент М, направленный таким образом, чтобы под его действием кривизна балки уменьшалась. При действии этого момента балку охлаждают через интервал температур прямого мартенситного превращения. Необходимо подобрать такое значение момента М, чтобы форма балки в полностью мартенситном состоянии была наиболее близка к прямолинейной. При этом величина максимальной деформации материала испытываемой балки не должна превосходить
предельного значения в*, при котором в процессе обратного превращения еще осуществляется полный возврат к исходной форме.
Рис. 1. Расчетные схемы активного элемента и адаптивного профиля
Рабочий ход адаптивного элемента состоит в том, что он под действием нагрева через интервал температур обратного превращения возвращается к исходной форме дуги окружности. При этом смещение конца стержня в направлении нормали к его нейтральной линии в ее прямолинейном положении в результате полного обратного превращения должно быть не меньше заданной величины ук. Требуется также определить зависимость этого смещения от температуры.
Методы решения задач изгиба для тонкостенных элементов из СПФ предложены в работах [9, 10]. В данной работе задача решается в следующих предположениях:
1. Деформации считаются малыми, в качестве меры деформированного состояния используются относительные удлинения.
2. Распределение полных деформаций по толщине стержня считается линейным.
3. Задача решается в простейшей несвязной постановке, т. е. не учитывается влияние действующих напряжений на диаграмму перехода.
4. Температура стержня меняется со временем, однако в каждый момент времени она считается одинаковой для всех точек стержня.
5. Аэродинамическими нагрузками, действующими на стержень из СПФ на этапе обратного
превращения, пренебрегаем.
В качестве определяющих соотношений механического поведения СПФ используется система уравнений, предложенная в работе [11]. Решение получено с помощью метода, основанного на преобразовании Лапласа всех уравнений краевой задачи по параметру фазового состава. Для анализа используются три общих положения, доказанные в [12]. Согласно первому из них задача о прямом превращении в пространстве изображений по Лапласу преобразуется в эквивалентную упругую задачу, решив которую и заменив упругие модули соответствующими операторами, переходим к оригиналам и получаем решение для процесса прямого превращения. В соответствии со вторым положением, если прямое превращение происходило под действием постоянных напряжений, то решения для прямого и обратного превращения отличаются на слагаемое, соответствующее упругому решению для разности нагрузок. Третье положение состоит в том, что для статически определимых задач решение с учетом переменности упругих модулей при фазовом переходе может быть получено следующим образом. Сначала получается решение в предположении о постоянстве модулей упругости материала. Далее в него подставляются известные зависимости модулей упругости от параметра фазового состава.
Задача 1. Необходимо подобрать такое значение момента М, чтобы форма балки в полностью мартенситном состоянии была близка к прямолинейной. При этом величина
максимальной деформации материала не должна превосходить предельного значения в*, при котором в процессе обратного превращения еще осуществляется полный возврат к исходной форме.
Пусть начальная кривизна балки в аустенитном состоянии равна к0 = 1/R . При нагружении балки изгибающим моментом М ее кривизна k уменьшается в соответствии с формулой:
k = k0 - M. (1) 0 EJ
С использованием преобразования Лапласа получено выражение для кривизны в процессе прямого превращения:
k (q )=ko- EJ ~ 3 iC0 (exp (°oq)-1), (2)
где q — параметр фазового состава, имеющего долевое значение от 0 до 1; а0, с0 — параметры материала, значения которых для никелида титана (NiTi) можно принять равными а0) = 0.718,
с0 = 0.000283МПа -1
Заменяя в (2) модуль Юнга E на его выражение через q, в соответствии с «правилом смеси»
1 q 1 - q
E (q) em ea
получим:
M
V em ea J
2 Mc
k (q )=k0 -j —+——(exp(a0 q)-1). (3)
3 Ja0
Полагая в (3) q = 1, k(1) = 0, получим выражение для изгибающего момента, который необходимо приложить на предварительном этапе задания начальной деформации:
M = -:----у—Jk0----------. (4)
— + 3—(exP (a0 )-1) ea 3 a0
Задача 2. Определение допускаемого максимального рабочего прогиба образца. Изменение
кривизны стержня, связанное с фазовой деформацией, определяется третьим слагаемым правой части формулы (3). Максимальная фазовая деформация наблюдается в крайних волокнах сечения. Отсюда получаем следующее ограничение:
Мо
33а(
(ехр(а0)-1)И <в*.
(5)
Для получения решения об обратном превращении надо из решения задачи о прямом превращении (3) вычесть составляющую, связанную с решением для упругой компоненты задачи:
к (Ч) = ко - 2 (ехР (ао Ч)-1).
з иарі
(6)
Из геометрических построений можно найти зависимость прогиба конца стержня ук от параметра фазового состава в процессе обратного превращения. Основным параметром в соответствующей формуле является кривизна оси балки к ( ч ):
Ук =
1 - 008 (Ьк ( ч))
к ( ч ) .
(7)
Для диаграммы обратного мартенситного перехода зависимость д от Т аппроксимируем в виде:
Ч = ■
1
( Ґ
008
V V
1
где Ах и А^ — температуры начала и конца фазового перехода для сплава.
Из формулы (6) следует, что при д = 0 к(0) = к0. С учетом формулы (7) максимальное значение прогиба конца стержня будет достигнуто в конечной точке обратного превращения и равно
Уп
1 - 008 (Ьк0 )
Икп
2в*
Из геометрических соотношений в =---------, откуда следует: ко =----, и подставляя ко
2 И
в формулу прогиба, получим:
(
1 - 008
Уп
2Ьв
//
2в*
(8)
Расчетные схемы для решения более сложных задач во многих случаях могут быть сведены к суперпозиции набора моделей рассмотренного типа. На рис. 1, б показан профиль адаптивного крыла, сформированный из двух шарнирно соединенных дуг (панелей). Очевидно, что при некоторой корректировке смысла обозначений симметричная половина дуги сводится к рассмотренной выше модели.
Технология подготовки активного элемента. Для изготовления деталей модели
к
о
И
воздухозаборника использован листовой полуфабрикат толщиной 5 и 3 мм из сплава ТН-1 — никелид титана, содержащий 54% никеля (по массе), который обработан по следующей технологии:
1. Заготовки выдержаны в течение 1 часа при температуре 750°С и закалены в аргоне для уменьшения анизотропности свойств.
2. Элемент деформирован до «запоминаемой» формы и «заневолен» в специальном приспособлении.
3. Проведена термическая стабилизация формы при температуре 500 в течение одного часа ( A ).
4. Элемент охлажден и освобожден из фиксирующего приспособления (при этом он сохраняет заневоленную форму, за вычетом незначительной доли упругой деформации)
(A ^М).
5. Ставшему «активным» элементу придается изначальная полетная форма (И).
Полученные в результате характеристики №Т приведены в табл. 2 и 3.
Таблица 2
Характеристики заготовок из №Ті после технологической подготовки
Характеристика, единица измерения Значение характеристики при температуре испытаний, °С
-7о 15 1оо 2оо зоо
Модуль упругости при изгибе, ГПа 75 4о 7о 85 9о
Предел пропорциональности, МПа 5о — бо 8о — 1оо 45о — 52о 55о — 6оо 5оо — 58о
Предел текучести, МПа 2оо 18о — 2оо 5оо — боо 6оо — 7оо 6оо — 65о
Предел прочности при растяжении, МПа 95о — 11оо 97о — 115о 8оо — 95о 7оо — 8оо 7оо — 75о
Относительное удлинение, % 15 — 2о 8 — 12 6 — 12 8 — 13 1о — 15
Таблица 3
Характеристики восстановления формы модели
Характеристика, единица измерения Значение характеристики при степени задаваемой пластической деформации, %
1 1.5 2 2.5 5
Относительное восстановление формы, % 1оо 1оо 95 92 9о
Реактивное напряжение, МПа 39о 5оо 6оо 54о 48о
Удельная работа восстановления формы, (Н • мм)/мм2 о.22 о.24 о.25 о.23 о.2о
Последовательность вывода формулы (8) как бы противоположна по направлению реальной технологии, описанной выше. Это связано с тем, что первая из них проще для аналитического рассмотрения, а вторая — для реализации. Тем не менее, итоговая связь между параметрами (8) в обеих последовательностях оказывается одинаковой.
Эксперимент. Экспериментальные работы по саморегулированию выполнены на модели плоского воздухозаборника воздушно-реактивного двигателя с размерами пластин активных элементов 85 х 45 мм и толщиной 3.5 мм (рис. 2, 3). Модель спроектирована так, чтобы за счет реализации эффекта памяти формы обеспечивалось перемещение передней кромки обечайки вверх или вниз за счет ее изгиба. Это обеспечивает регулирование высоты входа И (либо площади ^) и высоты горла Иг, а также угла поднутрения обечайки 5об. Изменение формы накладки на центральном теле позволяет регулировать конечный угол наклона поверхности
«н» и «к» обозначены начальные и Рис 3 Схема воздУхозабоРника:
конечные состояния). Для обечаек модели а — исходная форма; б — форма активных элементов в рюулкгаге
— — аэродинамического нагрева
воздухозаборника необходимая
относительная деформация связана с
потребной величиной вертикального хода передней кромки и для принятых геометрических пропорций модели составила в = о.9 — 1.8%, а для накладки на центральное тело модели относительная деформация составила 2.3 — 4.5%. Геометрические параметры конструкции, претерпевающей формоизменение, подобраны так, чтобы реактивные напряжения, развиваемые в процессе восстановления формы, не превышали уровня 390 — 600 МПа.
За горлом воздухозаборника располагается дозвуковой диффузор и два воздуховодных цилиндрических канала, на выходе из которых установлены конические регулируемые дроссели. На рис. 2 показана рабочая часть модели. Через смотровое окно видно изменение формы активных элементов в результате аэродинамического нагрева и мартенситного преобразования в СПФ.
Испытания проведены в аэродинамической трубе Т-121 при числе Мте= 5, давлении в форкамере роф = 2.5 МПа и нагревании потока до температуры ґоф < 135°С, а также в аэродинамической трубе Т-33 при числе Мте= 5, давлении в форкамере роф = 6о + 7о КПа и подогреве потока в интервале температур ґоф = 2оо 5оо°С, что соответствует числам М^ = 1.9 3.6 при полете в интервале высот Н = о 40 км. Начиная с температуры торможения ґоф = 7о°С, элементы из СПФ изменяли форму, при ґоф = 11о°С изменение формы заканчивалось.
Для всех траекторий полета при числе М^ > 2 температура торможения была достаточна для срабатывания эффекта памяти формы.
В ходе эксперимента начальный угол поверхности сжатия воздухозаборника составил 01 = 1о°, а конечный 0к = 2о°. Относительная площадь горла воздухозаборника определена как
Ъ = ^г/ ^ = о.2, где ^о — площадь входа воздухозаборника; ^г — площадь горла.
Исследовано четыре пары обечаек и накладок на центральном теле, что позволило продемонстрировать возможность воздействия на параметры процесса посредством изменения принимаемого конструктивного решения (модели 1 — 4 на рис. 4). Экспериментально подтверждена возможность теплового саморегулирования воздухозаборника ЛА. В ходе исследования происходило саморегулирование горла воздухозаборника с изменением площади воздухозабора от ^г = о.2 до нуля. Время срабатывания эффекта памяти формы колебалось в пределах 2 — 14 с
и определялось мощностью нагревателя.
Анализ результатов показал, что применение саморегулирования воздухозаборника позволит за счет улучшения характеристик тяги двигателя увеличить дальность полета на одном из протяженных участков траектории приблизительно на 40%.
Для ЛА возможно также создание устройств, обеспечивающих многоцикловое возвратно-посту-пательное действие. При этом возможны конструкции как с внешним оппозитным воздействием, так и
с использования двухпутевого эффекта памяти формы. При использовании результатов исследования
в реальных изделиях необходимо обеспечить умеренный темп нагрева извне, поскольку для массивных элементов из СПФ высокий темп нагрева может привести к различному времени начала фазовых
переходов в массиве материала, что вызовет возрастание внутренних напряжений в элементах, выше уровня допускаемых. Основной проблемой технической реализации массивных двухпутевых устройств является создание эффективной системы охлаждения активных элементов.
4. Математическая модель активного циклического элемента привода. Примем следующие гипотезы [13].
1. Изгибный балочный элемент СПФ толщиной к имеет нейтральную продольную ось в форме дуги окружности с диаметром В, связь между которыми задается коэффициентом относительной деформации в: В = к/в.
2. Деформация по сечению элемента из СПФ имеет распределение по линейному закону.
3. Напряжения имеют закон распределения, который аналогичен распределению напряжений в пластическом шарнире.
Рассмотрим рабочий элемент (рис. 5), имеющий прямоугольное сечение с шириной Ь и высотой к. Момент сопротивления сечения с учетом пластической деформации равен [14]:
Ж =
Ьк
2
4
а изгибающий момент в сечении соответственно:
г 2
ьк
Рис. 5. Схема для расчета силовых и деформационных характеристик монокристалла
где с — максимальное напряжение, действующее во внешнем волокне сечения.
0.1
0.05
.... ! . . модель 3 модель 2
мо; 300°С іель 4 \
Г' - 400°С ■ \
\ модел ь ^оовс ^ 200* 'с
Для начальной фазы деформации в0 и начального угла ао (рис. 5) имеем минимальные
п а
диаметр окружности О0) = — и длину элемента из
СПФ Ь = а0 В0 = а0 —.
Для произвольного угла а диаметр дуги элемента определяется по формуле:
0
5
10
15
т. с
в=Ь=00 в0 = а
а а ав
01-
0
Рис. 4. Влияние конструктивных решений на относительную площадь горла воздухозаборника
Перемещение (X) выходного элемента привода
в
0
0
X, и
определяется из следующих соотношении:
\ \ У У / /
X (а0 Г«у /*■«*,= Л'(<х0 = * п/2) а) \у / /
/ / /А /
/
8Іп (п-а) 8Іп (п-а0 )
а
аг
аг
(1 + 008 (п-а)).
Н =—(і + 008 (п-а)) = -
2 а
При нагревании элемент из СПФ генерирует напряжение са и развивает силу Еа :
3.14
2.51
1.88
СС
1.26
0.65
тгМ иі 1
К = н = с« 8ом
а
2а0 1 + 008 (п-а)
Рис. 6. Относительные силовые и деформационные характеристики привода
При охлаждении для обеспечения деформации требуется приложить напряжение ст или силу Кт :
Кт = °т*0ЬИ
1
а
2а0 1 + 008 (п-а)
В итоге результирующая сила (Е) привода в рабочем цикле равна:
Е = Е - Е
а Ш'
Для элемента с круглым сечением диаметром й приведенные формулы, с учетом пластической деформации имеют вид [14]:
*=.
6
На рис. 6 показана зависимость относительного перемещения X = Xе0/й и относительного
усилия Е = 0.5 Е (свой2 ) в функции от угла а. Видно, что подбором начального угла раскрытия
дуги можно менять соотношения характеристик силовых и деформационных воздействий. Приведенные соотношения для перемещения X и силы Е могут применяться для линейного привода, где элемент из СПФ работает на изгиб.
Изготовлен ряд приводов одностороннего действия [13, 15] по схеме, представленной на рис. 7, при ао =п/2 и Во = 8%. В качестве изгибного элемента с ЭПФ использованы прутки монокристаллического сплава Си-А1-№ с диаметрами й = 1 — 5 мм. Основные характеристики этих приводов приведены в табл. 4.
Таблица 4
d, мм 1 2 3 4 5
Б0, мм 13 25 28 50 63
Ь, мм 20 39 43 79 98
X, мм 7 14 15 29 35
К, Н (а = п/2) 11 43 96 171 268
Из прутка монокристаллического сплава Си-А1-№ диаметром 3 мм изготовлен двусторонний привод, представленный на рис. 7. Элементы из монокристаллов 1, 3 попеременно нагреваются спиральным электрическим нагревателем. Мощность каждого нагревателя составляет
5 — 10 Вт, время рабочего хода левого конца штока 2 из позиции А (рис. 7, а) в позицию В
(рис. 7, б)
составляет 3 — 10 с. Этот привод развивает начальную (при движении из положения А) силу ^ = 80 Н при перемещении X = 20 мм.
Рис. 7. Линейный привод в двух крайних положениях
5. Вопросы реализации активных элементов из СПФ. На рис. 8 показана модель устройства, на котором экспериментально подтверждена возможность изменения формы и объема отсека конструкции путем изменения кривизны двух криволинейных пластин из СПФ. Такое техническое решение может быть рационально использовано для управления формой конкретных участков поверхности конструкции ЛА, например, при выгорании топлива или при изменении режима
а) б)
Рис. 8. Изменение формы и объема отсека конструкции, ограниченного пластинами из СПФ, при мартенситном превращении
полета ЛА. При шарнирном соединении пластин расчет каждой из их половин может быть произведен на основе формул (2) — (8). На рис. 1, б показана соответствующая расчетная схема, в которую для обеспечения цикличности работы введен упругий возвратный элемент.
Для нагрева и охлаждения активных элементов умеренных габаритов в настоящее время исследуются решения, основанные на термоэлементах Пельтье, которые генерируют на своей рабочей поверхности выделение тепла, либо холода, в зависимости от направления пропускаемого по элементу электротока.
При одинаковых габаритах приводы, основанные на монокристаллических элементах из сплава Си-А1-№, развивают большие усилия, чем электромагнитные устройства.
При прочностном расчете устройств, в которых используются функциональные свойства
СПФ, необходимо ориентироваться на предельные величины с* и в*, по достижении которых
эффект памяти формы снижается или полностью пропадает. Для никелида титана величина с* растет с ростом содержания никеля от 400 МПа для сплава Ть48.5%№ до 800 МПа для сплава
Т1-51%№. Величина в* колеблется в пределах 4 — 8%.
Технология производства нитинола в стране была освоена в промышленном масштабе уже около 20 лет назад и не имела ограничений на габариты элементов, потребных для авиакосмической промышленности. Однако в связи с малым спросом в настоящее время производятся в основном полуфабрикаты проволоки диаметром до 3 мм и прутки диаметром 18 мм, при этом стоимость 1 кг полуфабриката из N1X1 составляет 300 — 600 $. Выращивание монокристаллической проволоки из СПФ в настоящее время обычно ограничивается диаметром в 6 мм. Стоимость таких сплавов, как правило, зависит от специфики решаемых задач и
существенно выше, чем у сплава NiTi. Однако из-за более высоких удельных характеристик они применяются в компактных изделиях робототехники, а также, например для манипулятора, предназначенного для вывода спутника, извлекаемого из грузового отсека воздушнокосмического самолета.
Заключение. Использование СПФ является одним из перспективных направлений поиска технических решений проблем адаптации ЛА к выполняемому заданию и условиям полета. Идет процесс усложнения изделий из СПФ, а также роста их размеров и массы.
В работе приведены примеры использования СПФ для исполнительных устройств и активных элементов конструкций, математические модели работы активных элементов. Путем исследования моделей в АДТ продемонстрирована высокая эффективность использования принципа саморегулирования воздухозаборника двигателя при высоких скоростях полета ЛА. Описаны также действующие компактные многоцикловые силовые приводы, основанные на монокристаллических СПФ.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ по проекту N 03-01-00470.
ЛИТЕРАТУРА
1. Замула Г. Н., Семенов В. Н. Интеллектуальные материалы в адаптивных авиационных конструкциях // Все материалы. Энциклопедический справочник. — М.: ООО «Наука и технология». 2006. № 1.
2. Семенов В. Н. Адаптация замкнутого крыла самолета к режиму полета с использованием интеллектуальных устройств // Механика композиционных материалов и конструкций. 2004. Т. 10, № 3.
3. Материалы с эффектом памяти формы / Справочное изд. под ред. В. А. Лихачева, в 4 т. — СПб.: Изд. НИИХ СПбГУ, 1997.
4. Spinivasan A. V., Michael McFarland. Smart structures. Analysis and design. — Cambridge University Press. 2001.
5. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела. — М.: Мир, 1979.
6. Семенов В. Н. Управление деформациями конструкции летательного аппарата посредством вариации модуля упругости сплава с памятью формы // Труды ЦАГИ. 2004, вып. 2664.
7. Молодцов Г. А., Биткин В. Е., Симонов В. Ф., Урмасов Ф. Ф. Формостабильные и интеллектуальные конструкции из композиционных материалов. — М.: Машиностроение, 2000.
8. Гончарук П. Д., Лаврухин Г. Н., Семенов В. Н., Чевагин А. Ф.
Некоторые вопросы саморегулирования воздухозаборников скоростных летательных аппаратов // 2-я Международная научно-техническая конференция «Авиадвигатели XXI века». —
М.: ЦИАМ, 2005. Т. 1.
9. Мовчан А. А. Исследование эффектов связности в задачах изгиба балок из сплава с памятью формы // Журнал прикладной механики и технической физики. 1998. Т. 39, № 1.
10. Данилин А. Н., Мовчан А. А. Метод решения геометрически нелинейных задач изгиба стержней из сплавов с памятью формы при прямом превращении // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2002. № 2.
11. Мовчан А. А., Ньюнт Со, Семенов В. Н. Проектирование силовозбудителя крутящего момента из сплава с памятью формы // Труды ЦАГИ. 2004, вып. 2664.
12. Мовчан А. А. Некоторые положения механики материалов, испытывающих термоупругие фазовые превращения // Механика композиционных материалов и конструкций. 1999. Т. 5, № 4.
13. Vahhi I., Pulnev S., Priadko A. Cu-Al-Ni based single crystal shape memory actuators and drives // J. de Physique IV (Proceedings). 2003. V. 112, part 2.
14. Писаренко Г. С., Яковлев А. П., Матвеев В. В. Справочник по сопротивлению материалов. — Киев: Наукова думка, 1975.
15. Вяххи И. Э., Вяххи Н. И. Исполнительные устройства РТС с использованием адаптивных узлов на основе материалов с эффектом памяти формы // Труды Международной школы-семинара «Адаптивные роботы — 2004 (Adaptive Robots & GSLT)». — СПб. 2004.
Рукопись поступила 20/IV 2005 г.
