В Институте теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН подходят к завершению работы, посвященные изучению воздействия особой формы поверхности крыла пассажирского самолета на характеристики пограничного слоя воздуха. Исследования позволяют предположить существенное уменьшение расхода топлива, сокращение объема вредных выбросов и, как следствие, увеличение дальности полета.
Проблемы, связанные с безопасностью, управляемостью, скоростью и экономичностью авиатехники, на протяжении многих лет являются предметом исследований ведущих мировых специалистов в области аэродинамики. Андрей Бойко, доктор физико-математических наук, профессор РАН, главный научный сотрудник ИТПМ, член-корреспондент РАН, и Андрей Иванов, старший научный сотрудник ИТПМ СО РАН, поделились Naked Science, эти параметры определяют способность управлять, а именно ограничивать, переход от ламинарного обтекания к турбулентному, то есть контролировать изменение упорядоченного, ламинарного потока воздуха, обтекающего самолет, в хаотичный, вихревой.
«Увеличение турбулентности в приграничном слое у поверхности летательного аппарата приводит к росту силы трения и, как следствие, к повышению расхода топлива. В связи с этим ведущие научные коллективы, работающие в данном направлении, стремятся к снижению турбулентности и уменьшению силы трения, которую испытывает пассажирский самолет, — уточнил Андрей Бойко. Следует подчеркнуть, что люди, не являющиеся специалистами, обычно понимают под турбулентностью атмосферное явление – крупномасштабные вихревые потоки, соизмеримые с размером самолета или даже превышающие его, например, внутри облаков. Именно поэтому во время полета мы часто слышим фразу: „Самолет вошел в зону турбулентности — просьба пристегнуть ремни“. Однако предметом нашего внимания является турбулентность с вихрями значительно меньшего размера – от нескольких сантиметров до долей миллиметра. Именно эта турбулентность, возникающая в тонком слое воздуха, обтекающем самолет (пограничный слой), оказывает сопротивление его движению. Для преодоления этого турбулентного трения самолет расходует приблизительно половину всего топлива».
Подобное устраняется подобным
Эффективным методом уменьшения сопротивления в приграничном слое и, соответственно, снижения расхода топлива является его частичная ламинаризация. Этот процесс подразумевает расширение площади поверхности летательного аппарата, на которой воздушный поток сохраняет гладкое, слоистое, то есть ламинарное состояние).
Для исследования поведения этого слоя проводят эксперименты с крыльями стреловидной формы, которые применяются в пассажирских самолетах, в аэродинамических трубах. В ходе экспериментов используются поверхности крыльев с разной степенью гладкости и шероховатости, а также изменяют угол их атаки (угол направления воздушного потока). Если вы когда-нибудь летели в самолете и смотрели в окно на крыло, могло показаться, что воздух движется вдоль него параллельно, однако это не соответствует действительности. Физика обтекания воздуха у стреловидного крыла обуславливает то, что в нижних слоях пограничного слоя (у самой поверхности крыла) воздушный поток отклоняется к фюзеляжу самолета. Данный режим течения является неустойчивым, и даже незначительная шероховатость поверхности крыла может вызвать завихрения и разрушение ламинарного обтекания.
Переход пограничного слоя в турбулентное состояние приводит к увеличению трения воздуха о поверхность самолета почти в 10 раз. В начале XXI века метод ламинаризации с использованием шероховатости привлек интерес многих исследователей. Определенные формы и поверхности крыльев способны сделать пристенный поток практически полностью ламинарным, исключая завихрения и возмущения. Однако полное отсутствие турбулентного потока значительно снижает управляемость самолета, особенно в реальных условиях полета, где атмосферные потоки часто бывают неравномерными и отличаются по силе и направлению. Стреловидные крылья с высокой степенью ламинарности не смогут обеспечить удержание самолета при неодинаковых параметрах воздушных масс по разные стороны от корпуса – полет обтекаемой формы в практических условиях характеризуется крайне слабой устойчивостью.
Целью исследования является не полное устранение турбулентности в приграничном слое, а ее уменьшение с сохранением управляемости самолета. Ключевая задача экспертов заключается в формировании управляемого турбулентного воздушного потока в пристенной зоне летательного аппарата.
В результате многочисленных экспериментов, проведенных специалистами по аэродинамике по всему миру, было установлено, что наиболее многообещающим направлением является анализ воздействия незначительных изменений в форме передней кромки крыла (профилирования) на воздушный поток. Далее необходимо придать поверхности небольшую шероховатость, чтобы сформировать контролируемую турбулентность в пристенном слое, которая будет защищать самолет от сильной и непредсказуемой турбулентности. Подобные проблемы решаются аналогичными методами.
Гигантская экономия топлива
Начало этой поры ознаменовалось масштабными экспериментами в аэродинамических трубах, сопровождавшимися использованием разнообразных приемов для визуализации и видеосъемки турбулентного потока вдоль крыльев. «Пристенный вихрь» у модели крыла в аэродинамической трубе имеет размеры всего в несколько миллиметров, в то время как крылья настоящего самолета значительно больше, поэтому исследователи использовали современные панорамные методы визуализации, чтобы наблюдать за поведением вихревого потока у поверхности крыла с точностью до каждой тысячной доли секунды.
Шероховатость поверхности изменялась от почти гладкой до состояния, напоминающего наждачную бумагу. Однако, в ходе эксперимента, было установлено, что шероховатость не должна быть неструктурированной – ее необходимо упорядочить. Для наблюдения за поведением воздушного потока решили использовать тепловизионное оборудование, предварительно немного нагрев крыло для улучшения визуализации.
Предложенное решение оказалось весьма перспективным: опыты продемонстрировали четкую взаимосвязь между поведением турбулентного слоя и характеристиками шероховатости поверхности. Согласно предварительным расчетам, результаты этих исследований способны уменьшить потребление топлива на несколько процентов.
Андрей Иванов отметил, что для уменьшения трения в пограничном слое разработано два эффективных подхода. Один из них заключается в модификации характеристик турбулентности. Чтобы снизить турбулентное трение, на крылья и фюзеляж самолета наносят специальный микрорельеф, состоящий из микроскопических треугольных продольных борозд. Данный метод уже используется на самолетах некоторых европейских авиаперевозчиков.
Даже незначительное уменьшение трения оценивается как значительное достижение. Например, для пассажирского судна, выполняющего регулярные рейсы, снижение трения на 0,2% позволяет сэкономить сотни тонн топлива и уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу. В XX веке исследователи использовали различные методы, чтобы попытаться нейтрализовать пристенный турбулентный слой, который у переднего края крыла обычно составляет приблизительно один сантиметр, а вблизи хвостовой части может достигать метра.
Существенный метод уменьшения трения летательного аппарата — ламинаризация, заключающаяся в увеличении площади зон, где обтекание поверхности происходит плавно, без турбулентности. На современных пассажирских самолетах такие зоны весьма ограничены. Они формируются возле передних краев крыльев и хвостового оперения, и даже незначительное их удлинение может существенно снизить сопротивление, поскольку трение ламинарного пограничного слоя приблизительно в десять раз меньше, чем у турбулентного. По мнению ученых Института теоретических и прикладных механики СО РАН, ламинаризация способна уменьшить общее трение самолета не на незначительные доли процента, а на значительный процент.
Под контролем тепловизора
Изначально попытки уменьшить аэродинамическое сопротивление крыльев самолета предпринимались еще в начале двадцатого века. Тогда широкую популярность получил эксперимент, связанный с удалением пограничного турбулентного слоя, известный также как эксперимент Прандтля. Удалось фактически ликвидировать турбулентность. Однако впоследствии стало ясно, что установка мощного устройства для удаления воздуха, размещенная внутри крыла, требует избыточных затрат ресурсов. Кроме того, изменение формы крыла предполагало повторную сертификацию всей конструкции самолета.
В ходе летных испытаний было установлено, что незначительные отверстия в конструкции крыльев быстро засоряются инеем, пылью и другими твердыми включениями, присутствующими в воздухе. В результате предложенная технология была признана неперспективной. Тогда эксперты решили изменить подход и вместо вакуумной системы использовали микрострую воздуха. Организовать поток воздуха наружу оказалось значительно проще, чем внутрь, а удаление возникающей турбулентности оказалось столь же эффективным, как и ее всасывание. Однако создание таких систем с оптимальным соотношением веса и мощности не удавалось: они либо демонстрировали недостаточную мощность, либо отличались излишней массивностью.
Изучение аэродинамических явлений требует длительных исследований. Термоанемометрия, метод измерения скорости воздушного потока с использованием микроскопической нагретой проволоки, которая в десять раз тоньше человеческого волоса, широко используется с середины XX века и до сегодняшнего дня. Это весьма точная технология, однако она позволяет проводить измерения только в одной точке в определенный момент времени, что оказывалось недостаточным для трехмерной визуализации потока, необходимой специалистам ИТПМ СО РАН. Для получения подробных трехмерных изображений, причем в реальном времени, им требовалось иное решение.
Использование шелковинок для визуализации потока воздуха, приклеенных к поверхности крыла, а также нанесение саже-масляного покрытия для создания узоров, отображающих воздушные течения, сегодня скорее напоминает сложные предсказания, чем научные методы.
Ученые осознавали необходимость заполнения аэродинамической трубы для создания объемной картины и регулярной фиксации движения частиц в потоке. В качестве метода они изучали панорамную трассерную визуализацию (PIV) – Particle Image Velocimetry (анемометрию по изображениям частиц), основанную на засеве воздушного потока мелкими частицами рапсового масла, которую также называют калькой, заимствованным из английского языка – велосиметрией.
Изображения, получаемые данным методом, выглядят достаточно убедительно, однако для проведения полноценных научных исследований необходимо выполнить сотни подобных экспериментов. Кроме того, в аэродинамических трубах замкнутого типа после этих демонстраций регулярно возникает необходимость в тщательной очистке. Удалить масляный конденсат непросто даже на обычной кухне, а в научной аппаратуре этот процесс занимает значительно больше времени.
Специалисты ИТПМ СО РАН, благодаря гранту Российского научного фонда, решили использовать высокочувствительный тепловизор для визуализации потоков. Он будет записывать в режиме реального времени процесс остывания слегка подогретой поверхности крыла под различными углами атаки и при разной скорости встречного потока. Данную работу они выполняют уже два года, опираясь на грант Российского научного фонда. Перед исследователями поставлены две задачи: определить способ отображения ламинарно-турбулентного перехода на экспериментальной модели в аэродинамической трубе и создать структуру рельефа поверхности, которая максимально задержит начало турбулентности от передней кромки крыла.
Умный рельеф
Наклонная передняя кромка крыла создает на поверхности самолета воздушный поток, направляющий его в сторону от корпуса. Эта структура отличается определенной последовательностью и формой неровностей. Она схожа с принципом работы пера птицы или плавника рыбы, состоящих из тонких параллельных волокон, формирующих слегка ребристую и эластичную поверхность.
Природа является источником множества решений, которые человек использует в своих разработках, благодаря эволюции живых организмов. Крупнейшие авиаперевозчики уделяют пристальное внимание передней кромке крыла, стремясь придать ей наиболее обтекаемую конфигурацию. В данном контексте подход сибирских аэрофизиков представляется весьма новаторским.
Вообразите самолет, который большую часть суток, а именно 20 часов, находится в воздухе, непрерывно расходуя топливо и выполняя коммерческие перелеты. Даже небольшое снижение расхода энергии и уменьшение выбросов в атмосферу, при такой интенсивной эксплуатации, возрастает в разы.
Иванов Андрей, ведущий научный сотрудник Института теплофизики им. С.В. Алексеева СО РАН.
«Использование тепловизора позволило нам наблюдать переход от ламинарного обтекания к турбулентному и установить общие закономерности, которые помогают прогнозировать поведение потока и определять место перехода от ламинарного к турбулентному режиму на стреловидных крыльях. Расчетные модели позволяют исследователям заменить значительную часть трудоемких экспериментальных работ, не беспокоясь о достоверности полученных данных, — подытожил Андрей Бойко.
Андрей Иванов отметил, что результаты проведенных исследований имеют особое значение для авиационных предприятий, поскольку они позволят конструкторам и инженерам оценить результативность любых запланированных модификаций крыльев самолетов. Собранные нами сведения можно будет адаптировать для применения в реальных производственных процессах.