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.
Российский инженер разработал авиационную лопасть, способную менять форму в полете
Инженер из Перми разработал авиационную лопасть, способную менять форму в полете
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.
Freepik
Что не так с современными самолетами?
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.
Пьезоэлектрические ячейки-актюаторы
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.