Когда инженеры говорят о летательных аппаратах, способных менять форму в полете, разговор почти всегда сводится к птицам. Природа, обладающая способностью летать, на протяжении десятилетий служила образцом для исследований в области создания трансформирующихся летательных аппаратов.

Однако новое исследование из Китая пошло совершенно другим путем. Вместо того чтобы смотреть в небо, исследователи обратились к земле и нашли вдохновение в микроскопической структуре семени растения.

Группа исследователей из Нанкинского университета аэронавтики и космонавтики (NUAA) разработала металлический материал, способный изгибаться, восстанавливать свою форму и выдерживать аэродинамические нагрузки — сочетание свойств, долгое время представлявшее собой сложную задачу для инженеров аэрокосмической отрасли.

В работе, опубликованной в Международном журнале экстремального производства, высказывается предположение, что будущие крылья самолетов могут в большей степени опираться на ботанику, чем на птиц. Идея изменяемой формы крыльев самолета не нова. Конструкторы давно утверждают, что крылья, способные менять форму, могут повысить топливную эффективность, увеличить дальность полета и улучшить управляемость за счет непрерывной адаптации к различным фазам полета.

Большинство существующих конструкций основаны на пассивных структурах, которые могут слегка изгибаться, но не могут активно изменять форму. Другие используют полимерные материалы, реагирующие на тепло или электрический ток, но им, как правило, не хватает прочности, необходимой для применения в аэрокосмической отрасли.

Для компенсации инженеры добавляют двигатели, шарниры и приводы — решения, которые работают, но за счет увеличения веса, сложности и надежности.

В результате возникает парадокс: чем более адаптируемым становится крыло, тем тяжелее и менее эффективным оно зачастую оказывается.

Команда NUAA подошла к проблеме с неожиданной стороны. Вместо того чтобы пытаться воспроизвести полет птиц, они изучали, как определенные растения справляются со стрессом и движением на микроскопическом уровне.

Вдохновение они черпали из семенной оболочки Portulaca oleracea, распространенного суккулента. Под микроскопом внешний слой семени демонстрирует сеть волнистых поверхностей и встроенных элементов, которые равномерно распределяют напряжение по мере набухания или деформации семени.

В отличие от птичьих крыльев, которые опираются на кости, мышцы и перья, семенная оболочка обретает гибкость и упругость исключительно за счет структуры. Именно эта идея — геометрия, а не механические механизмы — легла в основу конструкции исследователей.

Чтобы воплотить эту естественную концепцию в инженерную реальность, исследователи обратились к никель-титановому сплаву с эффектом памяти формы — металлу, известному своей способностью «запоминать» и возвращаться к запрограммированной форме при нагревании.

Отличительной чертой этого исследования является способ формирования материала.

Используя лазерное спекание порошкового слоя — высокоточную технологию 3D-печати металлом, — команда создала семейство крошечных сотовых структур с ячеистыми стенками толщиной всего 0,3 миллиметра. Эти волнистые, взаимосвязанные узоры повторяют геометрию распределения напряжений, наблюдаемую в семенной оболочке растений.В отличие от традиционных металлических решеток, эта конструкция не является пассивной. Сплав с эффектом памяти формы обеспечивает собственное движение. При нагревании материал изгибается, а при охлаждении затвердевает, без необходимости использования внешних двигателей или механических соединений.

Регулируя количество стенок, сходящихся в каждом стыке сотовой структуры, исследователи смогли настроить коэффициент Пуассона материала — показатель того, как материал расширяется или сжимается при растяжении.

Некоторые конструкции расширялись в стороны при растяжении, другие же сжимались, предоставляя конструкторам широкий спектр возможностей для работы с механическими элементами. Среди протестированных конструкций особенно выделялась шестиугольная сотовая структура.

Он может растягиваться до 38 процентов, прежде чем разрушиться, и восстанавливать более 96 процентов своей первоначальной формы после нагревания — показатели, которые редко встречаются вместе в металлических метаматериалах, способных выдерживать нагрузку.

Поскольку привод осуществляется за счет самого материала, такая конструкция позволяет избежать многих потенциальных точек отказа, характерных для двигателей, шарниров и тяг управления. Это имеет очевидные последствия не только для эффективности самолета, но и для надежности и технического обслуживания.

Исследователи подчеркивают, что это пока лишь начальная стадия работы. Следующие шаги включают интеграцию датчиков и электронных систем, чтобы будущие версии материала могли отслеживать свою форму и автоматически реагировать на изменяющиеся условия.

В долгосрочной перспективе речь идет о поверхности самолета, которая отслеживает воздушный поток, температуру или нагрузку и адаптируется в режиме реального времени не только с помощью программных команд, но и благодаря встроенному в конструкцию интеллектуальному материалу.

Если эта идея воплотится в жизнь, будущее трансформирующихся летательных аппаратов может быть обязано не столько перьям и летательным мышцам, сколько тихой изобретательности семени растения.