Кити розв’язали головоломку повітряних потоків гелікоптера
Дослідники з Німецького аерокосмічного центру в Ґеттінґені проаналізували горбатих китів, аби знайти причину порушень повітряних потоків у вертолітних лопатях. Уся справа в плавцях.
Горбаті кити можуть рости до 15 метрів у довжину та важити до 30 тонн. З часом вони еволюціонували, щоб легко ковзати по воді. Їхні величезні тіла сформовані для цієї місії майже ідеально. Але грудні плавці – з незвичайною кількістю випуклостей – здаються недоречними.
Саме плавці й привернули увагу групи дослідників з Німецького аерокосмічного центру в Ґеттінґені, які вивчали порушення повітряних потоків в основних гвинтах гелікоптера. Це спільна проблема для гелікоптерів та китів. Хоча горбаті кити повільно плавають у воді, а гелікоптери швидко літають в повітрі, в обох випадках відбувається порушення потоку. Він також називається вихровим пробоєм.
Сильна турбулентність
Порушення потоку мають місце, коли грудні плавці кита чи лопаті гелікоптерного гвинта рухаються надто сильно. Потік відділяється від задньої частини плавця (або лопаті), спричиняючи сильну турбулентність та зменшуючи прискорення плавника у воді, або лопаті в польоті.
Гелікоптери зіткнулись із порушеннями потоків – чи «динамічним розподілом» - коли лопаті рухались проти напрямку руху. Лопать, що рухається назад, є значно повільнішою, аніж лопать, що рухається вперед, і в підсумку виникає менша підйомна сила. Лопать, що рухається назад, повинна бути сильніше нахиленою, ніж лопать, що рухається вперед, аби вберегти гелікоптер від перекосу та збалансувати підйомну силу. Для цього лопаті сконструйовані таким чином, що в них постійно змінюється кут. Така технологія може призвести до зриву вертолітного гвинта. Окрім того, вертолітні лопаті можуть стати неконтрольованими й гелікоптером неможливо буде керувати.
Та схоже на те, що горбаті кити зарадили вирішенню проблеми вчених. Вони мають рельєфні утворення на зовнішніх краях своїх нагрудних плавників, що зменшують порушення потоків. Тому кит може піднімати свої плавники під більшим кутом та рухатись краще.
Новий винахід
Кілька років тому американські дослідники продемонстрували процес із моделлю плавника кита в повітряному тунелі. Провести тест запропонував Гольґер Май, директор з аероластичних експериментів Німецького аерокосмічного центру, аби застосувати цей принцип до гелікоптера. Він хотів відтворити випуклості на плавниках горбатих китів.
«Ми використали маленькі гумові випуклості, наклеєні на пластикову плівку, аби створити рівну, гладеньку передню кромку», - каже Май. Однак бажаного результату так і не було отримано. Тоді дослідники вирішили дізнатись, який саме ефект створюють ці випуклості. «І ми виявили, що маленькі циліндри, які є гострішими, ніж ті, що є у горбатих китів, працюють значно краще. Ми побачили це під час тестів», - додає науковець.
Експеримент призвів до нового винаходу – передових вихрових генераторів (LEVoGs). LEVoGs крихітні – лише шість міліметрів в діаметрі та два міліметри заввишки. Їх можна вирізати з гумового килимка з клейкою плівкою, яку потім потрібно приклеїти до передньої частини крила, створюючи маленькі вихори в повітрі, що триматимуть потік на лопаті. Експериментальний гелікоптер, оснащений LEVoGs, вперше здійнявся в повітря минулої осені. Пілот зміг отримати деяке початкове, якщо не точно наукове, розуміння ефективності цієї технології.
Спеціальна тестова лопать
Зі свого місця пілот помітив невелику зміну в поведінці гелікоптера, і вважалось, що це сталось через LEVoGs. Для надання більш наукової оцінки дослідники мають виміряти тиск на лопаті з та без вітрових генераторів. Для цього вони розробили спеціальну тестову лопать, що була вкрита сотнею дрібних отворів, лише 0,3 міліметра в діаметрі. Для вимірювання тиску під кожен отвір встановлюється датчик. Дані, які надходять від сенсорів, дозволяють дослідникам виміряти зміни повітряного тиску та те, чи зменшується небажаний вплив на лопать гелікоптера.
Щоправда, за словами дослідників, це може зайняти кілька років, адже він матиме істотні наслідки для майбутньої безпеки польотів, і сам процес затвердження експерименту є досить непростим. Знадобилося два роки для того, аби Німецьке федеральне управління авіації дозволило використовувати LEVoGs для тестів. І використання тестової лопаті проходитиме такий же тривалий процес затвердження.
Технологічні виклики
Очікуючи, дослідники роздумують, як можна застосувати цей принцип до тих галузей, де правила безпеки є не настільки жорсткими. Його можна, приміром, використати для покращення корабельних гребних гвинтів та вітрових турбін. Розробник гелікоптерів Кай Ріхтер каже, що продовжуватиме спостерігати за природою для вирішення технологічних викликів. «Якщо ми говоримо про зрив, ми дивимось, як це відбувається (в природі). Але те, що ми знайшли відповідь у китів, є майже випадковістю», - каже Ріхтер.
Теперішня робота дослідників – частина тривалої традиції. Будівельники літаків черпали натхнення з води, знаючи, що груба акуляча шкіра знижує потоковий опір. Окрім морських створінь, джерелами натхнення також були птахи й кажани. Здається, природа тільки продовжує давати щось нове.