В Пермском Политехе разработали лопасть авиационного винта, которая меняет форму в полете
Ученый Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработал пьезоэлектрические актюаторы для управления формой лопасти воздушного винта. Благодаря этому становится возможным активное управление потоком воздуха, что напрямую повышает экономичность авиационной техники.
Лопасть воздушного винта определяет тягу, расход топлива и шум самолета. Однако идеальный для взлета профиль при разгоне создает вибрацию и сопротивление. Сегодня эту проблему решают с помощью тяжелых механизмов, поворачивающих 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 пьезоэлектрические ячейки-актюаторы, установка которых на поверхности лопасти позволяет управлять положением закрылка с гораздо большей амплитудой.
«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 автор разработки, профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, доктор физико-математических наук Андрей Паньков.
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.
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.
По мнению автора, разработка позволит создавать более экономичные, тихие и комфортные самолеты и вертолеты, которым не нужны тяжелые механизмы для управления лопастями.