«Умные» электромеханические и электрогидравлические актуаторы со встроенной электроникой на Boeing 787-8 контролируют 21 аэродинамическую поверхность управления полётом. Производитель: Moog Inc.
Учёные Санкт-Петербургского государственного университета и Института проблем машиноведения РАН при поддержке Российского научного фонда разработали инновационный способ борьбы с турбулентностью в авиации — систему активных пластинок на крыле самолёта, которые самостоятельно меняют пространственное положение в зависимости от давления воздуха, пишут «Известия».
Разработчики предлагают покрывать поверхность крыла матрицей из активных ячеек, каждая из которых снабжена датчиком давления, микрокомпьютером и пластиной-крылышком — «пером», — с электроприводом. При возникновении турбулентности «перья» приходят в движение и меняют свой наклон относительно крыла, компенсируя возникающую неоднородность давления воздуха. При этом каждое «перо» обменивается данными с соседними ячейками, просчитывая необходимое положение.
Такое решение учёные в каком-то смысле подсмотрели у природы. У акул, касаток, дельфинов и других крупных морских животных при плавании с большой скоростью тоже начинается вибрация поверхности кожи, которая предотвращает переход движения в турбулентный режим.
Турбулентность — явление, наблюдаемое во многих течениях жидкостей и газов и заключающееся в том, что в этих течениях образуются многочисленные вихри различных размеров, вследствие чего их гидродинамические и термодинамические характеристики (скорость, давление, температура, плотность) испытывают хаотические флуктуации и поэтому изменяются во времени и пространстве нерегулярно.
Проблема с турбулентностью в том, что она значительно увеличивает количество энергии, необходимое для движения тела. Если на малых скоростях сопротивление возрастает пропорционально скорости, но после превышения некоего критического значения числа Рейнольлдса начинают образовываться турбулентные завихрения. С этого момента сопротивление растёт пропорционально квадрату скорости. Даже незначительный прирост скорости требует больших затрат энергии.
Исследование дельфинов в гидродинамической трубе показало, что во время движения поток жидкости вокруг дельфина остаётся ламинарным, то есть никаких турбулентных потоков не возникает. Как выяснилось, при движении в воде на толстой упругой коже дельфина пробегают складки. Они возникают в точности в те моменты, когда окружающий поток вот-вот должен превратиться из ламинарного в турбулентный. Именно в этот момент на коже возникает «бегущая волна», которая гасит образующиеся завихрения. По мнению учёных, дельфины развивают скорость до 54 км/ч, после чего у них включается болевой порог.
Этот биологические механизм инженеры впоследствии стали повторять в судостроении, авиастроении, при строительстве нефтепроводов и т. д. Однако активные актуаторы на крыльях под управлением микрокомпьютеров — это принципиально новый уровень разработки.
«Мы вовсе не пытаемся устранить турбулентность как таковую, да это и невозможно, — объяснил руководитель проекта, доктор физико-математических наук, профессор СПбГУ Олег Граничин. — Мы ставим перед собой другую задачу: скомпенсировать разницу давлений в разных зонах крыла так, чтобы самолет сохранял стабильное положение в зоне турбулентности».
Математическое решение проекта разработали в СПбГУ. Авторы системы говорят, что решение с распределённой системой управления было вынужденным: «Для централизованного управления всеми ячейками не хватило бы быстродействия даже самого мощного современного компьютера», — сказал разработчик математического решения, постдок СПбГУ Константин Амелин.
Систему уже опробовали на практике. Эксперимент в аэродинамической трубе на метровом крыле с сотней «перьев» показал, что распределённая система микрокомпьютеров (Константин Амелин почему-то сравнивает её с блокчейном) работает согласованно и находит консеснусное решение для каждой единицы оперения. Сейчас инженеры работают над созданием более совершенного испытательного стенда с действующей моделью самолёта, у которого размах крыла составляет уже два метра, а «перья» смогут вращаться в двух плоскостях, а не в одной, как сейчас.
Независимые эксперты с осторожностью оценивают работу коллег. Дело в том, что активные актуаторы — далеко не новая идея. Учёные испытывали самые разные варианты технологических решение, но до сих пор никто не предложил готового решения, которое бы компенсировало турбулентность на высокой скорости, а не только в узком диапазоне скоростей.
Источник
