Ученый из Перми нашел способ увеличить угол поворота закрылка лопасти самолета на 20%, чтобы эффективно управлять потоком воздуха при разгоне. Это напрямую влияет на экономичность воздушного судна и шумоизоляцию в салоне.
Что не так с современными самолетами?
Лопасть воздушного винта — это та часть самолета или вертолета, которая крутится и создает тягу, толкая его вперед. От того, как именно она спроектирована, зависит эффективность полета.
На первый взгляд кажется, что это просто вращающаяся пластина, но на деле от тонкостей ее профиля зависит, сколько топлива сожжет двигатель и насколько громким будет полет.
Даже небольшое несоответствие расчетных параметров текущему режиму приводит к лишнему расходу горючего, вибрациям и шуму.
Одна из актуальных проблем современных самолетов заключается в том, что идеально подобранный для взлета профиль при наборе скорости может создавать вибрацию и сопротивление. При взлете лопасти нужна мощная тяга — она должна отталкивать как можно больше воздуха, поэтому требуется крутой угол атаки, когда ее поверхность буквально «загребает» поток. Но как только самолет начинает разгоняться, этот же угол становится помехой: вместо тяги возникает сопротивление, воздух срывается с задней кромки (край лопасти), создавая тряску, которая передается на корпус и в салон.
Существующий способ адаптации — изменение угла наклона всего винта. Проще говоря, лопасти могут поворачиваться вокруг своей оси, становясь под более крутым или более плоским углом к потоку. Однако такой подход требует громоздких, тяжелых и энергозатратных механизмов — а каждый лишний килограмм на борту означает дополнительный расход топлива.
Более выгодной альтернативой становятся легкие пьезоэлементы, способные изгибать край несущей поверхности под электрическим напряжением. С их помощью можно управлять формой лопасти или ее задней кромки без специальных приспособлений.
Но здесь возникает другая сложность: существующие пьезоактюаторы дают слишком малый угол поворота. Этого хватает, чтобы немного сгладить поток, но недостаточно для серьезного влияния на расход топлива и управляемость.
«Умные» лопасти для экономичных полетов
Чтобы решить эту проблему, ученый из Пермского Политеха разработал пьезоэлектрические ячейки-актюаторы: они устанавливаются на поверхность лопасти и позволяют управлять положением закрылка с большей амплитудой. На устройство уже выдан патент.
В основе технологии — пьезоэлектрический актюатор со встречно-гребенчатыми электродами, устройство, которое под напряжением может растягиваться или сжиматься. Если в обычных пьезоактюаторах используются проводящие покрытия на верхней и нижней поверхностях пластины, то здесь они напоминают две гребенки, повернутые друг к другу зубцами. При этом выступы одной заходят в промежутки между зубцами другой, не касаясь их. При подаче напряжения между ними возникает электрическое поле, заставляющее этот материал пластины интенсивно деформироваться.
«Суть метода в том, что вся поверхность лопасти покрыта множеством маленьких пьезоэлектрических ячеек, плотно прилегающих друг к другу, как плитки в мозаике. Но каждый такой элемент имеет свою собственную "текстуру" — направление управляющих электродов. И это расположение подобрано специальным образом (оптимально) для каждой точки. Когда на электроды ячеек подается управляющее электрическое напряжение, каждая ячейка деформируется своим особым образом, заставляя всю лопасть или изгибаться и/или закручиваться в нужном направлении», — объясняет Андрей Паньков, профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
Работоспособность конструкции ученые проверили с помощью компьютерного моделирования и провели ряд численных экспериментов.
Благодаря новому решению угол поворота закрылка вырос на 20%. Если раньше пьезоприводы лишь немного корректировали поток, то теперь они всерьез влияют на аэродинамику лопасти, подстраивая ее под разные режимы — от взлета до продолжительного полета на скорости.
При этом вместо традиционных механических приводов массой в десятки килограммов здесь используется пьезоактюатор весом всего несколько сотен граммов — выигрыш в массе напрямую повышает топливную эффективность, снижая расход горючего и увеличивая допустимую нагрузку. Вдобавок, такое решение доступнее по цене, поскольку больший угол поворота достигается за счет оптимальной конфигурации электродов, а не усложнения или удорожания конструкции.
В будущем разработка позволит создавать более экономичные, тихие и комфортные самолеты и вертолеты, которым не нужны тяжелые механизмы для управления лопастями.
Комментарии