Letectví a kosmonautika
Cena za vynesení kilogramu materiálu na oběžnou dráhu Země se pohybuje kolem půl milionu korun. Pro maximální efektivitu je třeba optimalizovat vynášené komponenty a zabezpečit materiál proti vibracím a rázům rakety při letu do vesmíru. Naším cílem v oblasti letectví a kosmonautiky je vývoj metod pro topologickou optimalizaci a zabezpečení vynášeného materiálu.
Případové studie
-
ULTRALEHKÁ KONZOLA SATELITU
Ultralehká konzola pro komunikační antény satelitu ukazuje možnosti nekonvenční výroby a návrhu konstrukcí pro vesmírné aplikace
Prototyp konzoly z hliníkové slitiny vznikl v rámci výzkumného projektu pro Evropskou vesmírnou agenturu (ESA), který se zabýval metodikou návrhu komponentů pro kosmické použití struktur vyrobených aditivní technologií 3D tisku. Navržený tvar součásti zajišťuje dostatečnou tuhost a pevnost dílu v extrémních podmínkách, které panují při startu rakety do vesmíru.
Cíl projektu
Nedostižnou výhodou aditivních technologií je, že umožňují vyrobit i velmi náročné tvary, struktury a komplexní díly, které by odlitím nebo obráběním nebylo možné vyrobit. Díly navrhované klasickými postupy ovšem těchto výhod nedokáží naplno využít, jelikož konstruktéři jsou „zaslepeni“ standardními technologickými limity. Cílem projektu tedy bylo navrhnout metodiku, která využije potenciál velmi složitého tvarového řešení, zajistí dodržení požadavků na tuhost a pevnost při minimalizaci hmotnosti a zároveň zohlední technologické limity aditivní technologie, které ještě nejsou detailně prozkoumány.
Výzkum, vývoj a řešení
Metodika využívá speciální topologickou optimalizaci struktury složené z tenkých prutů. Tam, kde by standardně byl použit plný materiál nebo různá vyztužovací žebra, je součástka navržena kompletně jiným přístupem. Tvar součásti je tvořen strukturou prutů, která je optimalizovaná tak, aby byla co nejlehčí při zachování požadavků na tuhost a vlastní frekvence. Takto strukturovaný typ dílu je možné vyrobit právě pouze 3D tiskem.
Výzkum vedený na FSI VUT byl zaměřen na optimalizaci výrobního procesu a vliv jednotlivých procesních parametrů, stanovení materiálových vlastností a chování struktury pod zatížením, identifikaci omezujících a korekčních faktorů při výrobě tenkých kovových prutů a navazujících objemových částí, vliv tepelného zpracování a následné opracování funkčních ploch.
Prototyp konzoly je složen z 5 300 vrstev o tloušťce 0,05 mm a samotná výroba, tedy 3D tisk, prototypu trvala 57 hodin. Skládá se z 15 400 prutů, přičemž zhruba polovina z nich má průměr menší než 1,5 mm. Jediné plno-objemové části jsou použity v místech připojení dalších komponent šrouby. Výsledná hmotnost po obrobení funkčních ploch je do 500 gramů.
Dopad a výsledky projektu
Vyrobený prototyp úspěšně prošel zátěžnými testy bez porušení, čímž bylo ověřeno, že celý proces optimalizace těchto struktur i následných tepelných úprav a obrábění, může být vhodným nástrojem pro výrobu speciálních odlehčených dílů v kosmickém průmyslu. K finálnímu použití na orbitálních satelitech je ovšem nutné absolvovat ještě desítky testů k prokázání spolehlivosti takto navržených a vyrobených dílů. Zástupci LKE, TASF a VUT v Brně úspěšně prezentovali metodiku a dosažené výsledky komisi ESA v ESTECu.
Řešitel projektu za VUT v Brně
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D.
Finanční podpora
ESA Czech Industry Incentive Scheme, Design of spacecraft components for additive manufacturing, AO /1-7397/13/NL/EL, 2014-2015.
Řešeno pro
L.K. Engineering (LKE); Thales Alenia Space France (TASF)
Zjistit více
webové stránky 3D Laboratory -
SEMIAKTIVNÍ TLUMÍCÍ SYSTÉM PRO KOSMONAUTIKU
Studie proveditelnosti konstrukčního řešení semiaktivního vibroizolačního systému mezi kosmickým satelitem a nosičem
Ve spolupráci s Aerospace Division firmy Honeywell vznikl předběžný návrh Stewartovy plošiny s magnetoreologickými semiaktivními tlumiči, která bude sloužit k připevnění satelitu na kosmickém nosiči VEGA agentury ESA.
Cíl projektu
Satelity jsou dnes možná nejvyvinutější technické výrobky, které se používají v oblastech od komunikací, přes průzkum, až po předpověď počasí. Pro zmírnění důsledků drsného dynamického prostředí při startu a cestě na orbitu musí být placený náklad navržen a testován pro tuto vysokou dynamickou zátěž, což významně zvyšuje konstrukční složitost satelitu a jeho cenu. Řešený systém zajišťuje přechod mezi posledním stupněm rakety a placeným nákladem a dynamicky od sebe izoluje obě tyto části. Pokud bude hmotnostně a ekonomicky optimalizován, přináší do konstrukce kosmických nosičů zcela novou kvalitu.
Výzkum, vývoj a řešení
Vibroizolační systém musí být lehký, jednoduchý a snadno nastavitelný v souladu s pokrytím velkého rozsahu nosnosti užitečného zatížení. Musí být rovněž spolehlivý, snadno udržovatelný a bezpečný tak, aby byl využitelný pro stávající nosič VEGA i potenciální budoucí aplikace na nosných raketách ARIANE 6. V projektu byly respektovány předběžné požadavky kosmické agentury ESA. Projekt řešený společně s Aerospace Division firmy Honeywell se zabýval předběžnou studií možných konstrukčních variant. Nezbytnou součástí projektu byla celá řada testů jednotlivých inovativních komponentů a funkčních skupin s cílem potvrdit vysokou funkčnost navrhovaného systému.
Dopad a výsledky projektu
Ve studii vypracované společně s Aerospace Division firmy Honeywell pro agenturu ESA se podařilo prokázat reálnost konstrukce semiaktivní vibroizolační plošiny na magnetoreologickém principu. Snížení dynamického zatížení při startu a zatížení vlivem otřesů pomocí vlastního vibroizolačního systému bude pro celou kosmickou loď vynikající alternativou.
Řešitel projektu za VUT v Brně
Finanční podpora
ESA Express Procurement Plus – “EXPRO+”, Proposal No. 138338.
Řešeno pro
Honeywell International s.r.o.
Zjistit více
webové stránky laboratoře vibroakustiky -
IDENTIFIKACE PŘÍČIN ZVÝŠENÉHO HLUKU LETOUNU VUT COBRA
Identifikace příčin zvýšené hlučnosti experimentálního letounu VUT 100 Cobra za letu
Projekt se zabýval experimentální identifikací problémových částí konstrukce pohonu experimentálního letounu. V rámci řešení byl realizován tzv. přeletový test snímaný mikrofonem. Analýza získaných dat byla zaměřena na identifikaci problémové části konstrukce pohonu. Projekt byl řešen ve spolupráci s firmou Evektor a Leteckým ústavem VUT v Brně.
Cíl projektu
Cílem projektu byla identifikace hlukově problematického strojního uzlu v pohonu letounu. Motivací pro řešení byla potřeba potlačit nežádoucí hlukové projevy letounu za provozu. Projekt byl zaměřen experimentálně.
Výzkum, vývoj a řešení
Základem řešení projektu byl tzv. přeletový test. Při tomto testu letoun prolétal přesně definovanou dráhu při daných otáčkách a plné přípusti plynu. Přelet byl snímán mikrofonem umístěným na zemi nad odrazivou plochou. Následně byl stanoven celkový akustický výkon a frekvenční analýza zaznamenaných dat. Z další analýzy dat se podařilo identifikovat, že dominantním zdrojem zvýšené hlučnosti je třílistá vrtule. Druhým podezřelým zdrojem s ohledem na nežádoucí hluk byl výfukový systém motoru, což se při měření nepotvrdilo.
Dopad a výsledky projektu
Na základě výsledků projektu se podařilo zlepšit užitné vlastnosti experimentálního letounu VUT 100 Cobra. Provedená měření vedla mimo jiné k zastavení vývojových prací na dokonalejším výfukovém systému a ušetření materiálových i osobních nákladů.
Řešitel projektu za VUT v Brně
Finanční podpora
Prostředky průmyslového partnera, zadavatele projektu.
Řešeno pro
Zjistit více
webové stránky laboratoře vibroakustiky
