Адаптроника - новый подход к конструированию машин и механизмов
Может ли обладать разумом, скажем, мост? Мост, способный анализировать уровень и параметры нагрузки и соответственно менять свою жёсткость или, скажем, резонансную частоту, вполне отвечал бы нашим представлениям о разуме, пусть и относительно примитивном. По крайней мере, так считают специалисты в области адаптроники – они имеют дело с системами на базе материалов, меняющих свои свойства под воздействием электрического или магнитного поля, тепла или света, сжатия или растяжения. Собственно говоря, сами по себе такие «хитроумные материалы» – по-английски «smart materials» – известны инженерам уже давно и используются сегодня весьма широко. Они знакомы практически каждому из нас – достаточно назвать солнцезащитные очки-хамелеоны с фототропными стёклами, темнеющими на ярком солнце и снова светлеющими в тени. Однако профессор Хольгер Ханзелька (Holger Hanselka), преподающий в Техническом университете Дармштадта, связывает с этими материалами будущее машиностроения. Ханзелька, возглавляющий также Институт эксплуатационной прочности и надёжности комплексных систем имени Фраунхофера, полагает, что «хитроумные материалы» являются одной из предпосылок, необходимых для реализации нового подхода к конструированию машин и механизмов, состоящего в придании им способности рационально и эффективно реагировать на изменение внешних условий. Это и есть принцип адаптроники:
То, что мы считаем как бы своим девизом, гласит: адаптроника пробуждает структуры к жизни. А это означает, что любой элемент конструкции должен постоянно регистрировать все изменения окружающей среды и действовать соответственно. Проектируя пассивную систему, инженер закладывает в неё все мыслимые и немыслимые ситуации, в которых она может оказаться в процессе последующей эксплуатации. А может и не оказаться. Но такая система заведомо слишком массивна, поскольку должна обладать огромным запасом прочности.
Вот мы и вернулись к тому, с чего начали сегодняшний разговор. Итак, мост. Он должно выдерживать не только обычное дорожное движение – пару грузовиков, десяток легковых машин, группу пешеходов да нескольких велосипедистов, – но и любые экстремальные ситуации – ну, скажем, пробку, сплошь состоящую из тяжело гружённых тягачей. Значит, это инженерное сооружение неминуемо будет иметь «лишние» опоры, «лишние» несущие тросы, «лишние» тонны железобетона. Профессор Ханзелька говорит:
Мир адаптроники открывает здесь перед нами совершенно новые подходы. Рассмотрим в качестве упрощённого моста одну балку, перекинутую через овраг. Если я иду по такому мосту, он обычно прогибается. Теперь представим себе, что в балку интегрированы активные элементы. Они регистрируют нагрузку, вызывающую деформацию, и противопоставляют ей встречное усилие такой величины, чтобы не допустить деформацию. Таким образом может быть в принципе создана непрогибающаяся конструкция.
Такое техническое решение весьма выгодно с экономической точки зрения: оно позволяет сэкономить огромное количество конструкционных стройматериалов, которые понадобились бы при традиционном подходе. Но для реализации этого инновационного подхода адаптронный мост, да и вообще любая адаптронная система, должны располагать как бы органами чувств, чтобы регистрировать нагрузку, своего рода мышцами, чтобы на нагрузку реагировать, и неким подобием мозга, чтобы всем этим процессом управлять. А для этого нужны соответствующие материалы, способные выполнять функции органов чувств и мускулатуры. Профессор Ханзелька поясняет:
Поэтому вся эта история с адаптроникой получила развитие лишь начиная с середины 80-х годов. Тогда наука научилась целенаправленно модифицировать конструкционные материалы так, чтобы определённым образом изменить их свойства. В этом состоит важная особенность адаптроники – она базируется на таких многофункциональных материалах, без них реализация этих идей невозможна.
К наиболее давно известным материалам такого рода относятся пьезокристаллы. Название «пьезо» происходит из греческого языка и означает «давлю». Если надавить на пьезокристалл, то есть приложить к нему механическое усилие, он поляризуется, образуя на противолежащих гранях электрические заряды противоположного знака. Это явление, именуемое прямым пьезоэлектрическим эффектом, было впервые исследовано ещё Пьером Кюри в 1880-м году. В наши дни этот эффект находит применение в конструкции многих бытовых устройств – таких, например, как струйные принтеры или газовые зажигалки. Инженеры используют и так называемый обратный пьезоэлектрический эффект: воздействуя на пьезоматериал электрическим полем, они вызывают его механическую деформацию.
Понятно, что материалы, реагирующие на деформацию изменением оптических, электрических или магнитных свойств, могут быть использованы в качестве сенсоров, а материалы, изменяющие форму или объём под воздействием магнитного или электрического полей, тепла или света, способны играть роль активных исполнительных элементов. Именно поэтому учёные приложили – и продолжают прилагать – немало усилий, создавая новые функциональные материалы – пьезокерамики и пьезополимеры, жидкости, изменяющие вязкость под воздействием внешнего магнитного поля, и сплавы с эффектом памяти. Последние должны вскоре сделать более безопасными наши автомобили, – считает профессор Ханзелька:
Что касается применения в автомобилестроении, то здесь слабым местом является защита от бокового удара. В современном автомобиле водитель и пассажиры защищены гораздо лучше при фронтальном столкновении с препятствием, чем при боковом. Поэтому мы встроили в двери специальные исполнительные механизмы, которые должны дополнительно укрепить их в нужный момент.
Всё дело в том, что дверь автомобиля – в отличие от остального кузова – не является несущей конструкцией. Она не обладает необходимой жёсткостью и прочностью, в ней нет зоны контролируемой деформации. При боковом ударе дверь, к сожалению, нередко срывается с петель и влетает в салон, – говорит профессор Ханзелька:
Поэтому мы разработали – в рамках большого европейского проекта – особую систему. Ведь современные автомобили буквально нашпигованы разного рода электронными датчиками – камерами, радарами, парковочными сенсорами и так далее. Эти датчики заранее регистрируют опасную ситуацию, они как бы предвидят за несколько десятков миллисекунд назревающее столкновение с препятствием, и могут своевременно подать сигнал, по которому сработает этот наш исполнительный механизм в двери, и из неё в порог выдвигаются толстые цилиндрические стержни.
В отличие, скажем, от подушек безопасности и натяжных устройств ремней безопасности, которые приводятся в действие пиротехникой, этот механизм сконструирован на основе функциональных материалов, что обеспечивает обратимость процесса. Под воздействием теплового сигнала штифты выстреливают практически мгновенно, но спустя несколько секунд снова втягиваются в дверь.
Высочайшая скорость реакции присуща, прежде всего, пьезоэлектрическим функциональным материалам. Это свойство и обеспечивает им преимущества перед традиционными технологиями. Полгода назад в Берлинском конгресс-центре состоялась торжественная церемония присуждения Немецкой премии будущего за 2005-й год. Удостоенный награды проект назывался «Форсунки с пьезоэлектрическим управлением: новая техника впрыскивания для экологичных и экономичных автомобильных дизельных и бензиновых двигателей». Как известно, система впрыскивания горючего является одним из важнейших компонентов дизельного двигателя. Эта система состоит из топливного насоса высокого давления и клапанной форсунки. Практически все эксплуатационные характеристики двигателя, будь то КПД, экономичность, экологичность или уровень шума, напрямую зависят от эффективности сгорания топлива, а она, в свою очередь, определяется такими параметрами, как давление, под которым топливо подаётся в камеру сгорания, объём впрыскиваемой порции, степень распыления, момент впрыскивания и т.д. И хотя в дизельных двигателях могут быть использованы системы впрыскивания разных конструкций, практически все клапанные форсунки до недавнего времени были с электромагнитным управлением. Именно этот элемент и усовершенствовали инженеры компаний «Bosch» и «Siemens», разработав форсунку с пьезоэлектрическим управлением.
В качестве материала инженеры обеих фирм используют специальную пьезокерамику с примесью окислов циркония и свинца, что позволяет ей выдерживать типичные для дизельного двигателя механические и термические нагрузки. Одно из преимуществ пьезоэлектрического управления состоит в его быстродействии: время реакции на сигнал составляет всего лишь 0,00006 секунды. Правда, сама по себе деформация одной такой керамической пластинки чрезвычайно мала – около 0,0001 миллиметра. Поэтому приходится каждый управляющий элемент компоновать из 350-ти керамических слоёв.
С другой стороны, эти пьезоэлектрические материалы развивают огромное усилие, за эти доли секунды они могут поднять слона, –
говорит профессор Ханс Майкснер (Hans Meixner) из фирмы «Siemens». Конкретно такой управляющий элемент развивает усилие в 3 тысячи ньютонов, что и позволяет использовать пьезокерамические форсунки для оптимизации всего процесса работы двигателя. Профессор Ханс Майкснер называет такое управление «taylor made», то есть «скроенным по мерке»:
«Taylor made» означает, например, возможность так регулировать сгорание топлива, чтобы свести к минимуму содержание вредных веществ в выхлопных газах. Особенно в дизельных двигателях можно радикально снизить количество мелкодисперсной сажи. Для этого уже после процесса сгорания в раскалённые выхлопные газы впрыскивается ещё небольшая порция топлива, и почти все ранее уцелевшие частицы сажи при таких высоких температурах догорают.
Внешне форсунка с пьезоэлектрическим управлением напоминает толстую шариковую ручку. Внутри расположен сам пьезоэлемент – он имеет форму цилиндра длиной 4 сантиметра. Подчиняясь управляющему электрическому сигналу, пьезоэлемент укорачивается или удлиняется на 0,04 миллиметра. Поскольку этого всё равно не хватало, конструкторы увеличили ход клапана посредством специального гидравлического устройства. На конце форсунки, словно остриё баллончика в шариковой ручке, ходит взад-вперёд дозирующая игла, открывающая и закрывающая отверстие, через которое и производится впрыскивание топлива. Вроде бы всё просто. Но только работа двигателя требует нескольких сотен впрыскиваний в секунду, и форсунка должна надёжно работать на протяжении не менее чем 20-ти лет в экстремальных условиях высоких температур и давлений до 2-х тысяч бар, обеспечивать низкий уровень шума и при этом обходиться дёшево в производстве. Неудивительно, что разработка такой форсунки заняла в общей сложности свыше 20-ти лет. Профессор Майкснер говорит:
Исследователи всегда верят в то, что их разработки, существующие пока только в виде чертежей, уже завтра будут реализованы на практике. Но на самом деле всё происходит в своё время. Когда мы начинали наши изыскания, время для этой конструкции ещё не пришло. Тогда и цены на нефтепродукты были гораздо ниже, и экологическое мышление, идея экономии ресурсов, ещё не получили широкого распространения.
Многолетние усилия увенчались успехом. За счёт того, что пьезокерамическая форсунка в 4-5 раз быстрее обычной, она позволяет производить вместо одного впрыскивания несколько мини-впрыскиваний. В результате такой оптимизации процесса сгорания топлива его расход сократился на 2-3 процента, а эмиссия вредных газов и сажи уменьшилась на 20-30 процентов. Проект обошёлся не дёшево: начиная с середины 90-х годов, обе компании инвестировали в него более 5-ти миллиардов евро. Зато сегодня такие форсунки можно встретить во многих автомобилях разных производителей. Эксперты исходят из того, что в текущем году объём производства достигнет 16-ти миллионов штук. Но и это ещё не всё, – говорит профессор Майкснер:
Теперь эту же технологию мы собираемся перенести и на бензиновые моторы. Они тоже станут тише, экологичнее и экономичнее. Мы твёрдо рассчитываем на 20-процентную экономию бензина.
Обширная область применения функциональных материалов – борьба с шумом или – в более общем виде – борьба с вибрацией. Как показывают исследования, даже очень небольшие адаптивные элементы способны дать внушительный эффект, если с их помощью удаётся справиться с резонансным раскачиванием системы. Одним из источников шума в автомобиле является вибрирующий пол, – поясняет профессор Ханзелька:
Конечно, я могу справиться с этим шумом за счёт того, что сделаю днище очень тяжёлым, изготовив его из толстого металлического листа, или очень жёстким, придав ему ребристость, или же я заглушу его специальными поглощающими вибрацию покрытиями. Однако все эти решения означают удорожание производства и увеличение массы машины, что влечёт за собой повышение расхода топлива. Гораздо эффективнее проблема решается с помощью адаптивных элементов. На днище наклеиваются пьезокерамические сенсоры и изготовленные из того же материала исполнительные элементы. Сенсоры регистрируют параметры вибрации и подают сигнал исполнительным элементам, на основе которого те генерируют колебания такой же частоты и такой же амплитуды, но в противофазе. В результате шум гасится практически полностью.
Чтобы подобные разработки нашли широкое применение, они должны быть доступными по цене, а низкие цены достигаются массовостью производства. Именно поэтому профессор Ханзелька и его коллеги уделяют особое внимание автомобилестроению. Однако тут ещё предстоит решить ряд проблем. Они касаются не столько сенсоров и исполнительных элементов, то есть органов чувств и мускулатуры, сколько управляющей электроники, то есть мозга системы. Тут предстоит ещё много исследовательской работы, - говорит профессор Ханзелька:
Представьте себе, что вы сидите в машине рядом с водителем и держите в руке стакан с водой, а машина едет по ухабистой дороге. Ваш мозг устроен столь совершенно, что вы тем не менее сможете держать стакан более или менее ровно, почти не расплёскивая воду. Робот с этой задачей справляется гораздо хуже, потому что для таких ситуаций нужна система управления, способная рассчитывать множество степеней свободы, а главное, делать это очень быстро, практически в режиме реального времени.
Поэтому, – считает профессор Ханзелька, – адаптроника будет развиваться, прежде всего, там, где требуются очень специальные решения очень специальных задач – например, в космической и военно-промышленной отраслях. Но со временем, года через три-четыре, адаптроника начнёт завоёвывать более массовые рынки и постепенно станет общедоступной. По крайней мере, именно так представляет себе будущее профессор Хольгер Ханзелька.