Крылья бабочек вдохновили инженеров на создание защитного материала для самолетов
Как сообщается в International Journal of Extreme Manufacturing, при создании конструкции исследователи вдохновлялись микроскопическим строением крыльев бабочек и мотыльков. Трехслойную сборку из металла, радиопоглощающего покрытия и звукоизоляции удалось заменить одной напечатанной деталью толщиной всего 24 мм.
Сотовая структура с каналами внутри
Обычно эти задачи решают разными материалами. Прочные сплошные конструкции выдерживают удары, но хорошо отражают звук и радиоволны. Пористые материалы эффективнее поглощают излучение и шум, однако хуже переносят механические нагрузки. К тому же склеенные слои утяжеляют конструкцию, занимают место и могут отслаиваться из-за постоянных вибраций.
Команда профессора Лунцю Ли объединила две геометрические структуры. Основу материала составляет сотовая решетка с шестиугольными ячейками, а внутри ее стенок расположена гиройдная решетка — сеть плавно изгибающихся каналов, напоминающая трехмерную губку. Такая архитектура распределяет нагрузку по конструкции и помогает избежать резкого разрушения в местах соединения элементов.
По результатам испытаний, материал поглощал в 21,9 раза больше энергии удара, чем обычная сотовая конструкция той же массы.
Поглощает радиоволны и глушит шум
Для борьбы с электромагнитным излучением внутренние каналы заполнили составом с проводящими углеродными нанотрубками и техническим углеродом. Радиоволны проникают внутрь и многократно отражаются от проводящих поверхностей, постепенно теряя энергию, которая превращается в тепло. В диапазоне частот от 2 до 40 ГГц материал поглощал более 90% мощности излучения на участке, охватывающем 93,5% этого диапазона.
Для снижения шума каждую ячейку закрыли крышкой с небольшим отверстием. Воздух внутри начинает колебаться, а трение в сложной системе каналов рассеивает звуковую энергию. В результате конструкция поглощала 90% звука в диапазоне 600–900 Гц, характерном для низкочастотного гула в салонах турбовинтовых самолетов.
От лаборатории до авиации
В одном из испытаний образец массой 74 г поместили под колесо автомобиля массой 1750 кг. На него приходилась нагрузка около 438 кг, но материал не треснул. В акустическом тесте уровень звука снизился с 88,5 до 45,1 дБ. При этом толщина конструкции составляет лишь 36,9% от толщины традиционной многослойной сборки.
Исследователи также создали нейросетевую модель, которая помогает быстро подбирать геометрию панелей под нужные частоты. Она рассчитывает варианты за доли секунды и использует на 91% меньше параметров, чем обычные нейросети.
До применения в самолетах и электромобилях материал предстоит адаптировать для производства из более подходящих для авиации материалов, например углепластиков и алюминия. Также необходимо проверить, выдержит ли пористая структура многолетние вибрации и циклические нагрузки. Пока разработка остается лабораторным решением, но в будущем она может уменьшить массу и толщину защитных панелей, одновременно решающих несколько инженерных задач.
