История создания
В начале 1990-х годов перед НАСА встал вопрос о создании нового поколения композиционных структур для применения на космических объектах (солнечный парус, обеспечение жесткости скафандров и т.д.) Исследовательский центр НАСА в Лэнгли обратил внимание на работы, проводившиеся в Университете Бригама Янга (Brigham Young University или BYU) под руководством профессора Дэвида Дженсена (David Jensen). Целью этих исследований было создание трехмерной композитной структуры превосходящей по своим характеристикам разработанную в начале 70-х годов в McDonnell Douglas Astronautics Co изогридную сетку.
Результатом более чем 7-летней работы, проводившейся при финансовой поддержке НАСА, стало создание композитной изотропной структуры, известной под названием IsoTruss. Через некоторое время эти разработки, в соответствии с программой SPINOFF, были переданы для внедрения в гражданский сектор экономики. Данная композитная структура защищена патентами US 5921048A «Three-dimensional iso-tross structure», US 20050115186A1 « Iso-truss structure»
IsoTruss® является зарегистрированным товарным знаком Университета Бригама Янга.
Технические характеристики структуры IsoTruss
IsoTruss это трехмерная ферменная конструкция, основными элементами которой являются равнобедренные треугольники и образованные ими пирамиды. Известно, что любая ферменная конструкция обладает в разы более высокой несушей способностью, чем сплошная металлическая или трубчатая конструкция аналогичного веса. Благодаря однонаправленной ориентации волокон относительно оси действия нагрузки обеспечивается максимальное использование их механических свойств. В случае же, например, с трубчатой конструкцией, при намотке со стандартными углами, модуль волокон может снизиться до 50% из-за их не осевой ориентации.
IsoTruss может работать на растяжение, сжатие, кручение, изгиб или любую их комбинацию. Для многих структурных применений композитные сетчатые структуры IsoTruss® обеспечивают значительное улучшение структурных характеристик по сравнению с традиционными композитными конфигурациями, такими как традиционные оболочки или сэндвич-структуры. Прочность и жесткость могут быть адаптированы для разных нагрузок и за счет изменения материала и размеров и формы ячеек
Конструктивно обеспечивается высокая устойчивость к внешним повреждениям, в зависимости от их вида, снижение прочности не превышает 12-25%, а в большинстве случаев не произойдет вообще. В то же время у композитных трубчатых конструкций при повреждении снижение прочности достигает 80%. Сетчатая структура обеспечивает снижение аэродинамического сопротивления на 30% .
Для изготовления структуры IsoTruss могут использоваться любые применяемые волокна и смолы. По сравнению с трубчатыми конструкциями обеспечивается снижение расхода материалов до 50%.
Для конструкций, испытывающих в основном воздействие изгибающих нагрузок, вес эквивалентной IsoTruss структуры из углеволокна составляет: 8% от веса стали, 24% от веса алюминия, 54% от сплошных углеродных структур (например, трубы). Даже в сравнении с оптимизированными стальными ферменными конструкциями, вес IsoTruss из углеволокна не превысит 17% от веса равнопрочной стальной.
Для конструкций испытывающих воздействие в основном осевых нагрузок, вес IsoTruss из стекловолокна составит: 12% от веса стали, 17% от веса алюминия, 30% от веса сплошных углеродных структур.
Если же сравнить конструкционные материалы при одинаковом весе, то IsoTruss будет прочнее: стали в 12 раз, алюминия в 4 раза, традиционных углеродных структур в 2 раза.
Важнейшей конструкционной характеристикой материала является жесткость. Для IsoTruss из углеволокна вес для эквивалентной жесткости будет составлять
9% от веса стали, 13% от веса алюминия, 22% от веса углеродных труб.
Для IsoTruss из стекловолокна этот показатель будет следующим: 26% от веса стали, 38% от веса алюминия, 65% от веса углеродных труб
Применение
Сфера применения данной технологии изготовление различных опор, мачт, башен, пилонов, стоек антенн, опор офшорных платформ, корпусных деталей ракет и самолетов и т.п.
Сегодня самые высокие с сооружения, изготовленные по этой технологии это метеорологические башни, применяемые на аэродромах, и на площадках ветрогенераторов — их высота более 80 метров, а вес составляет примерно 10% от аналогичной стальной, при более низкой стоимости. Они рассчитаны на работу при скорости ветра до 150 км/ч и при обледенении с толщиной слоя льда до 1,5 см. Было сооружено так же некоторое количество различных опор ЛЭП.
Данные изделия изготавливались на модернизированном намоточном оборудовании, были разработаны специальные оправки (стоимость которых оказалась выше расчетной), так же было разработано специальное программное обеспечение для расчета опор и выбора наиболее экономически обоснованного варианта.
Тем не менее, в настоящее время данный проект значимого коммерческого развития не получил. Вероятно, для этого существуют определенные причины. Тем не менее, представляется следующее:
- Технология перспективна и обеспечивает высокие эксплуатационные свойства изделий.
- Оборудование сложно реализуемое, но технических вопросов нет. Изготавливалось оборудование для лабораторной отработки и модернизировалось для полупромышленной. Существующие сегодня системы ЧПУ позволяют автоматизировать процесс изготовления таких структур.
- Одной из наиболее сложных проблем организации производства является технологическая оснастка. 4. Для ручного варианта изготовления характерна высокая трудоемкость, а значить и стоимость.
- Попытки перенести производство в страны с низкой стоимостью ручного труда результатов не дали, ввиду низкой квалификации работников.
Можно добавить, что несколько российских компаний, в том числе и довольно крупные интересовались данной технологией и возможностью ее применения для своих нужд. К какому либо реальному результату это не привело. Были так же предприняты попытки по разработке российского аналога, но учитывая под чьей эгидой, осуществлялись эти действия, надеяться на какой либо положительный результат было бы несколько наивным.
