Топологическая оптимизация помогла облегчить крыло самолета

Исследователи из Датского технического университета использовали метод топологической оптимизации для улучшения характеристик правой консоли крыла пассажирского лайнера Boeing 777. По итогам оптимизации исследователи пришли к выводу, что такой метод позволяет снизить массу конструкции крыла по меньшей мере на два-пять процентов по сравнению с традиционной конструкцией, используемой сегодня. Работа датских исследователей опубликована в Nature.

Топологическая оптимизация представляет собой способ улучшить ту или иную конструкцию с точки зрения распределения материала при сохранении общих прочностных характеристик неизменными. В общих чертах такой метод автоматизированного или частично автоматизированного улучшения позволяет оптимизировать конструкцию, рационально распределив материал и пустоты в объеме и снизив ее массу. Результат топологической оптимизации внешне обычно напоминает нечто, созданное природой.

Для своего эксперимента исследователи использовали программное обеспечение топологической оптимизации, запущенное на французском суперкомпьютере Curie. Для оптимизации ученые взяли внутреннюю конструкцию правой консоли крыла пассажирского лайнера Boeing 777 длиной 27 метров. Его трехмерную модель исследователи разбили на 1,1 миллиарда вокселей, небольших структурных единиц, трехмерных аналогов двумерного пикселя. При оптимизации программа рассчитывала нагрузки сначала для каждого воксела в отдельности, а затем для их совокупности.

Получавшаяся после каждой оптимизации трехмерная модель подавалась на вход программы несколько сотен раз. В результате новая внутренняя структура крыла получилась плавной, внешне напоминающей сосудистую сетку. Новая конструкция получилась легче, но ее общая гибкость и устойчивость к нагрузкам сохранилась. По оценке исследователей, такая оптимизация позволит добиться уменьшения потребления топлива самолетом на 40-200 тонн в год в зависимости от конструкции самого летательного аппарата.

Одна консоль крыла лайнера Boeing 777 имеет три лонжерона (продольные силовые элементы) и более 30 нервюр (перпендикулярные ребра). При оптимизации программное обеспечение уменьшило количество лонжеронов до двух, а число нервюр — до трех, причем последние расположились ближе к корню крыла. Вместо множества нервюр трехмерная модель внутренней конструкции крыла самолета получила структурные образования, наподобие ветвей. Следует отметить, что программа учла необходимость свободного пространства для топливных баков и механизации.

Топологическая оптимизация обычно используется для улучшения конструкции отдельных небольших элементов. По утверждению датских ученых, такой метод был применен к крупной конструкции впервые.

Сегодня авиаразработчики не рассматривают радикальное изменение конструкции крыла в качестве метода повышения экономичности самолетов. Внутреннюю структуру крыла в обозримой перспективе серьезно менять не планируется, однако исследователи работают над оптимизацией формы и внешних элементов этого аэродинамического элемента. В частности, в Евросоюзе разрабатывается проект ламинарного крыла, два прототипа которого впервые были испытаны в конце сентября текущего года.

Ламинарное крыло должно иметь очень гладкую поверхность и невысокий профиль, чтобы обеспечить ламинарный, невозмущенный, воздушный поток на как можно большей своей площади. Для создания гладкого крыла планируется использовать несколько технологий, включая более плотную подгонку стандартных элементов конструкции друг к другу. Предполагается, что ламинарное крыло будет иметь на 50 процентов меньшее лобовое сопротивление по сравнению со стандартным. Это позволит снизить потребление топлива самолетом в полете на пять процентов.

Василий Сычёв