Energooszczędne łopaty helikoptera

Helikoptery potrafią wykonywać niesamowite wyczyny akrobacyjne, ale są też hałaśliwe, chwiejne i drogie w prowadzeniu. Naukowcy NASA opracowują łopaty helikoptera z inteligentnym materiałem zmiennokształtnym, który może prowadzić do płynniejszej, cichszej i bardziej ekonomicznej jazdy.

Inteligentne ostrza: NASA przetestowała swoje nowe siłowniki w tunelu aerodynamicznym w Ames Research Center przy użyciu pełnowymiarowych łopat helikoptera (u góry). Siłownik (na dole) zawiera materiały piezoelektryczne, które zmieniają kształt pod wpływem pola elektrycznego. Przewody w prawym górnym rogu obrazu to stosy piezoelektryczne. Po przyłożeniu napięcia rozszerzają się nieznacznie, tworząc ruch mechaniczny, który przesuwa klapkę w górę i w dół. (Klapa to długa, cienka, żółta część ostrza na górnym obrazie.)

Ostrza wykorzystują siłowniki piezoelektryczne – urządzenia mechaniczne zawierające materiał, który zmienia kształt pod wpływem pola elektrycznego. Ta zmiana kształtu deformuje obracającą się łopatę wirnika, poprawiając aerodynamikę helikoptera.

W zeszłym roku NASA we współpracy z firmą lotniczą Boeing , Agencja Obronnych Zaawansowanych Projektów Badawczych ( DARPA ), a armia amerykańska przetestowała pierwszą pełnowymiarową łopatę wirnika, która wykorzystała tę technologię w tunelu aerodynamicznym, który symuluje warunki lotu. System znacznie zredukował wibracje, zaoszczędził energię i umożliwił dokładniejszą kontrolę ruchu wirnika. W przyszłości system może również redukować hałas. Jest teraz gotowy do testów w locie, chociaż data pierwszego lotu nie została jeszcze ustalona.

W tej chwili staramy się zrozumieć i docenić wszystko, co osiągnęliśmy w pełnowymiarowym tunelu aerodynamicznym – mówi William Warmbrodt, kierownik projektu z Działu Badań i Technologii Pojazdów Lotniczych w NASA. Centrum Badawcze Ames , w Kalifornii.

Gdy śmigło helikoptera przelatuje w powietrzu, pozostawia za sobą ślad, a gdy łopata za nim przechodzi przez ten ślad, doświadcza okresowych wibracji. Posiadanie aktywacji ostrza pozwala na wprowadzenie okresowego ruchu na klapy ostrza z odpowiednią amplitudą, fazą i częstotliwością, aby wyeliminować te wibracje, mówi Steven Hall , profesor aeronautyki i astronautyki na MIT oraz konsultant projektu NASA.

Ludzie od dawna mówią o wykorzystaniu inteligentnych materiałów w samolotach, ale tak naprawdę brakowało odpowiedniego rodzaju siłownika, aby było to praktyczne, mówi Hall. Poprzednie wysiłki, obejmujące siłowniki hydrauliczne, okazały się zbyt ciężkie i powolne, aby były praktyczne. Trudno jest wykonać hydraulikę w ramie obrotowej: potrzeba wystarczającej siły, aby odchylić klapę, ponieważ obciążenia powietrza są bardzo duże i trzeba to robić z wymaganą częstotliwością, mówi Hall.

Wiatr wieje: Pełnowymiarowe łopaty helikoptera wyposażone w siłowniki zostały przetestowane w największym na świecie tunelu aerodynamicznym, znajdującym się w NASA Ames Research Center w Kalifornii. Tunel aerodynamiczny symuluje warunki lotu odpowiadające podróżowaniu z prędkością 155 węzłów.

Nowy siłownik znajduje się wewnątrz stalowej ramy łopaty wirnika, zarówno w pobliżu końcówki łopaty, gdzie siły aerodynamiczne są największe, jak i klapy w tylnej części, która porusza się w górę iw dół podczas obracania. Wzmacniacze mocy przekazują pole elektryczne do materiału piezoelektrycznego wewnątrz siłowników, a materiał ten reaguje zmieniając długość, rozszerzając się w bardzo niewielkim stopniu (około 10 do 20 tysięcznych cala). To przesuwa pręt prostopadle do klapy ostrza, który popycha klapę. Robisz mały ruch, wzmacniając go na tyle, by poruszyć klapą o kilka stopni, mówi Hall.

Ale ruch klapy powoduje dramatyczną zmianę aerodynamiczną ostrza. Klapa może pomóc w generowaniu prędkości nośnej lub prędkości powietrza, i podczas gdy samolot może używać klap tylko do startu i lądowania, takie klapy mogą być używane w dowolnym momencie podczas lotu helikopterem.

Bardzo ważne jest to, że materiały piezoelektryczne są sztywne i mogą szybko zmieniać kształt. To sprawia, że ​​jest to akceptowalny siłownik, mówi Hall. Dzięki inteligentnym materiałom system siłownika jest lekki i kompaktowy. Ponadto naukowcy z NASA zaprojektowali system siłowników tak, aby pasował do konstrukcji łopat istniejących helikopterów bez znaczącej modyfikacji konstrukcji łopat wirnika.

„Inteligentne materiały to ogromna obietnica zrewolucjonizowania sposobu, w jaki projektujemy, budujemy i eksploatujemy nasze helikoptery”, mówi Warmbrodt.

Projekt może mieć kilka spin-offów: armia amerykańska opracowuje drugi wirnik z silnikami elektrycznymi, a DARPA właśnie ogłosiła Mission Adaptive Rotor ( MORZE ) program, w którym przyjrzymy się wielu technologiom, w tym inteligentnym materiałom, służącym do ulepszania łopat wirnika stosowanych w śmigłowcach wojskowych.

Warmbrodt dodaje, Program DARPA MAR to kolejny krok w kierunku spojrzenia na to, w jaki sposób zamierzamy radykalnie zmienić konstrukcję łopat helikoptera, aby osiągnąć nowy poziom osiągów.

ukryć