Конструкция лопасти воздушного винта оказывает влияние на тягу, потребление топлива и уровень шума самолета. При этом профиль, оптимальный для взлета, в процессе разгона может вызывать вибрации и увеличивать сопротивление. В настоящее время для решения этой задачи используют массивные механизмы, поворачивающие лопасть в целом, однако это приводит к увеличению веса и расхода топлива. Многообещающей заменой 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. Ученый из Пермского Политеха предложил решение этой задачи, создав пьезоактюаторы, увеличивающие угол поворота закрылка лопасти на 20% по сравнению с существующими моделями. Это позволяет осуществлять активное воздействие на поток воздуха, что непосредственно влияет на повышение экономичности авиационной техники.
На изобретение выдан патент.
Лопасть воздушного винта – это вращающийся элемент самолета или вертолета, обеспечивающий движение вперед за счет создания тяги. Эффективность полета во многом определяется конструкцией этой детали. Несмотря на кажущуюся простоту – это всего лишь вращающаяся пластина – на практике ее профиль имеет решающее значение для ряда параметров, включая расход топлива и уровень шума. Даже незначительное отклонение фактических параметров от расчетных приводит к повышенному потреблению топлива, вибрациям и увеличению шума.
Наиболее заметно эта трудность возникает в процессе перехода от начального этапа полета к набору скорости. На старте лопастям необходима значительная подъемная сила, чтобы максимально эффективно отталкивать воздух, что достигается за счет применения большого угла атаки, при котором поверхность лопасти, по сути, захватывает воздушный поток. Однако, по мере увеличения скорости самолета, этот угол начинает оказывать негативное воздействие: вместо создания тяги возникает сопротивление, воздушный поток отделяется от задней кромки лопасти, что приводит к вибрациям, передающимся на фюзеляж и в пассажирский отсек.
В настоящее время наиболее распространенный метод адаптации – это изменение угла наклона винта. Это означает, что лопасти способны поворачиваться вокруг своей оси, изменяя угол между ними и направлением воздушного потока. Однако такая конструкция предполагает использование массивных, тяжелых и энергоемких механизмов, поскольку каждый дополнительный килограмм на борту увеличивает расход топлива.
В качестве альтернативы рассматриваются пьезоэлектрические элементы — вещества, которые изменяют свою форму под воздействием электрического напряжения. Благодаря им можно регулировать форму лопасти или конфигурацию ее задней кромки, что обеспечивает большую точность и исключает необходимость использования громоздких устройств. Однако возникает иная проблема: имеющиеся пьезоактуаторы обеспечивают слишком небольшой угол поворота. Этого лишь немного достаточно для корректировки воздушного потока, но недостаточно для существенного воздействия на расход топлива и характеристики управляемости.
Ученый из Пермского Политеха предложил решение этой задачи: он создал пьезоэлектрические ячейки-актюаторы. Их размещение на поверхности лопасти позволяет значительно увеличить угол отклонения закрылка.
Технология базируется на пьезоэлектрическом актуаторе – устройстве, которое изменяет свои размеры под воздействием электрического напряжения. В отличие от традиционных пьезоактуаторов, где электроды располагаются на верхней и нижней поверхностях пластины в виде проводящих покрытий, здесь они выполнены в форме двух встречно расположенных гребенок. Выступы одной гребенки входят в промежутки между зубцами другой, но не соприкасаются. Под воздействием электрического напряжения между электродами возникает электрическое поле, вызывающее интенсивную деформацию материала пластины.
— Принцип действия метода заключается в покрытии всей поверхности лопасти большим количеством маленьких пьезоэлектрических ячеек, расположенных вплотную друг к другу, подобно плитке в мозаике. При этом каждый элемент обладает уникальной «текстурой», определяемой направлением управляющих электродов. Это расположение подобрано оптимальным образом для каждой конкретной точки. Под воздействием управляющего электрического напряжения, подаваемого на электроды ячеек, каждая из них деформируется особым способом, что приводит к изгибу и/или скручиванию всей лопасти в заданном направлении, — объяснил Андрей Паньков, профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
Для проверки функционирования разработанной системы, исследователи использовали компьютерное моделирование.
— Проведено моделирование и испытания виртуальных прототипов лопасти. Результаты численных расчетов показали, что разработанный механизм обеспечивает управляемый поворот закрылка с амплитудой, которая существенно превышает характеристики существующих решений. Главное достоинство технологии заключается в расширенном диапазоне рабочих значений. Под воздействием управляющего электрического напряжения пьезоэлектрические ячейки, выполняющие роль актуаторов, деформируются, то есть изгибаются и/или закручиваются, обеспечивая необходимое положение лопасти и/или ее закрылка. Это позволяет отклонять аэродинамическую поверхность на требуемый угол и гибко адаптировать профиль лопасти к условиям полета, — рассказал Андрей Паньков.
Предложенное решение позволило увеличить угол поворота закрылков на 20% по сравнению с существующими моделями. Если ранее пьезоприводы могли лишь незначительно корректировать воздушный поток, то теперь этого хватает, чтобы существенно воздействовать на аэродинамические характеристики лопасти, адаптируя их к различным условиям – от взлета до крейсерского полета. Вместо традиционных механических приводов, имеющих массу в десятки килограммов, применяется пьезоактюатор весом всего несколько сотен граммов – это снижение веса напрямую улучшает топливную экономичность, уменьшая потребление топлива и увеличивая максимально допустимую нагрузку летательного аппарата. Кроме того, данное решение более экономично, поскольку больший угол поворота достигается благодаря оптимальному расположению электродов, а не путем усложнения или удорожания конструкции.
Благодаря разработке ученого из Пермского Политеха, в будущем станет возможным создание более экономичных, тихих и комфортных самолетов и вертолетов, не требующих громоздких механизмов для управления лопастями. В настоящее время готовится создание прототипа и проведение экспериментальных испытаний таких управляющих элементов авиационных конструкций.