Лопасть воздушного винта определяет тягу, расход топлива и шум самолета. Однако идеальный для взлета профиль при разгоне начинает создавать вибрацию и сопротивление. Сегодня эту проблему решают тяжелыми механизмами, поворачивающими лопасть целиком, но это увеличивает вес и затраты горючего. Перспективной альтернативой стали легкие пьезоэлементы, способные изгибать край несущей поверхности при подключении электрического напряжения. Однако существующие пьезоэлектрические устройства изменяют форму лопасти слишком слабо, чтобы всерьез повлиять на эффективность полета. Для решения этой проблемы ученый Пермского Политеха разработал пьезоактюаторы, которые увеличивают угол поворота закрылка лопасти на 20% по сравнению с аналогами. Благодаря этому становится возможным активное управление потоком воздуха, что напрямую повышает экономичность авиационной техники.
Схема математического моделирования процесса управления крылом летательного аппарата. Источник фото: пресс-служба ПНИПУ
На изобретение выдан патент.
Лопасть воздушного винта — это та часть самолета или вертолета, которая крутится и создает тягу, толкая его вперед. От того, как именно она спроектирована, напрямую 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.
Особенно остро эта проблема проявляется при переходе от взлета к набору скорости. В начальный момент 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 разгоняется, этот же угол начинает мешать: вместо тяги возникает сопротивление, воздух срывается с задней кромки (край лопасти), создавая тряску, которая передается на корпус и в салон.
Сегодня основной 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.
Альтернативой стали пьезоэлектрические элементы — материалы, меняющие форму под электрическим напряжением. С их помощью можно управлять формой лопасти или формой ее задней кромки, что точнее и не требует тяжелых приспособлений. Но здесь возникает другая сложность: существующие пьезоактюаторы дают слишком малый угол поворота. Этого едва хватает, чтобы немного сгладить поток, но недостаточно для серьезного влияния на расход топлива и управляемость.
Для решения этой проблемы ученый Пермского Политеха разработал пьезоэлектрические ячейки-актюаторы, установка которых на поверхности лопасти позволяет управлять положением закрылка с гораздо большей амплитудой.
В основе технологии — пьезоэлектрический актюатор (устройство, которое под напряжением растягивается или сжимается) со встречно-гребенчатыми электродами. 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, — объяснил Андрей Паньков, профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
Чтобы убедиться в работоспособности конструкции, ученые проверили ее с помощью компьютерных расчетов.
— Мы выполнили моделирование и протестировали виртуальные прототипы лопасти. Результаты численных экспериментов подтвердили: новый механизм обеспечивает контролируемый поворот закрылка с амплитудой, значительно превосходящей существующие аналоги. Ключевое преимущество технологии — именно увеличенный рабочий диапазон. При подаче управляющего электрического напряжения пьезоэлектрические ячейки-актюаторы деформируют, а именно изгибают и/или закручивают нужным образом лопасть и/или ее закрылок, отклоняя аэродинамическую поверхность на заданный угол и гибко подстраивая профиль лопасти под режим полета, — рассказал Андрей Паньков.
Благодаря такому решению угол поворота закрылка вырос на 20% по сравнению с существующими аналогами. Если раньше пьезоприводы могли лишь немного корректировать поток, то теперь этого достаточно, чтобы всерьез влиять 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 используется пьезоактюатор весом всего несколько сотен граммов — выигрыш в массе напрямую повышает топливную эффективность, снижая расход горючего и увеличивая допустимую нагрузку судна. Вдобавок, такое решение доступнее по цене, поскольку больший угол поворота достигается за счет оптимальной конфигурации электродов, а не усложнения или удорожания конструкции.
Следовательно, разработка ученого Пермского Политеха в будущем позволит создавать более экономичные, тихие и комфортные самолеты и вертолеты, которым не нужны тяжелые механизмы для управления лопастями. Для реализации этой технологии уже ведется подготовка к созданию прототипа и экспериментальным испытаниям таких управляющих элементов авиационных конструкций.
Источник информации и фото: пресс-служба ПНИПУ
