«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.
Комментарии (27)
spc
19.03.2018 16:55+1Дополним графикой, а то скучно
tass.ru/nauka/4972491
vesper-bot
19.03.2018 18:31Мда, а выход из строя одного движка-актуатора не оторвет ли результирующей ошибкой в ликвидации турбулентности проблемное «перо», оставив в середине большую дырищу? Тогда всё пойдет насмарку.
Setu
19.03.2018 19:53+1Печально, что все с магазина типа алиэкспресс и сделано на коленке (я понимаю, что это аж демоверсия демонстратора). Вот такая наша наука.
Отрадно, что хоть новость в обычные СМИ пробилась. Как никак популяризация и освещение текущего состояния. И да — идея мэмс на крыльях уже с бородой.spc
19.03.2018 21:26+1Надо бы, конечно, господина Амелина сюда пригласить — ну, чтобы по-взрослому. Потому что пока у меня лично создается впечатление, что он больше математик, чем физик. Это раз. И, кажется, не слишком талантливый предприниматель — это два.
То есть, я хочу сказать, что сразу на глаза попадается его предприятие ООО «Смыслолёт», которое некогда изготавливало (собирало?) всякие БПЛА с камерой на борту. Преподносилось в СМИ это как беспилотник, который может успешнее людей собирать статистику по хозяйству (лес там посчитать, а то и коровок).
Однако это в СМИ, а на практике выяснилось, что мы имеем что-то вроде того же китайского планера-мультикоптера с какой-то камерой на борту. Самолетик запускаешь — он летает и снимает. А как сядет, запись нужно скопировать на компьютер и скормить специальной программе. Вот эту программу, стало быть, и написали наши ученые.
Причем для этой цели Амелин скооперировался еще с одним товарищем, у которого, если я правильно понял, некогда был рецензентом.
Собственно, я к чему занудствую. Математика — прекрасно, освоение Arduino — тоже неплохо. Но несмотря на мою любовь к Arduino, не хотел бы я эту платформу видеть в самолетах, а одной лишь математики, как мне видится, маловато будет, чтобы разгадать мать-природу.
В общем, текущую их модель (если на фото именно текущий прототип) в аэродинамической трубе разнесет на клочки задолго до того, как воздух достигнет той скорости, которой он обтекает аэропланы. А на малых скоростях непонятно что отрабатывать. Ну, то есть, мне непонятно, что отрабатывать.
Плюс к тому, авиационная отрасль очень-очень консервативна. И даже если вдруг эта штука окажется не очередным упоминанием «российских ученых» просто ради упоминания, то, чувствую, при своей жизни я ее не увижу.
tzlom
20.03.2018 11:05Это можно тестировать и на малых скоростях, турбулентность сводит на нет подъёмную силу при угле атаки 10-15 градусов.
spc
20.03.2018 11:55Вообще, мне, как дилетанту, было интереснее другое — изменение эффективности управляющих поверхностей в зависимости от окружающих условий. Помните, была история, как в Союзе упал Ту-104, но летчик, как мог, рассказывал о случившемся «подхвате»; недостаточная эффективность руля высоты Ту-154, обнаруженная в эксплуатации; разрушение хвостового оперения у МиГ-АТ в испытательном полете.
В общем, там работы, по-моему, гораздо больше, чем представляют себе инициаторы.
Grox
20.03.2018 03:09Так же и в штатах делают. Только сервы чуть круче и скорее с амазона. Это быстрый дешёвый прототип.
vasimv
19.03.2018 22:21Прочность крыла вообще никакая будет, не говоря уже о весе.
telhin
20.03.2018 11:23Прочность скорее не в обшивке, а в лонжеронах крыла. Как правило топливные баки расположены во внутреннем пространстве крыла.
BDI
20.03.2018 13:18Вклад в прочность того или иного конструктивного элемента сильно зависит от схемы — кроме лонжеронных схем ещё существует кессонная, где вклад от обшивки весьма существенный, а роль лонжеронов снижена вплоть до роли стенки(элемент воспринимающий перерезывающие силы, но не изгибающий момент). Если не ошибаюсь, то в современной гражданской авиации наиболее распространена именно эта конструктивная схема(лучшая весовая эффективность, возможность использовать кессон в качестве топливного бака). Оформление же вырезов в фрезерованных панелях(с перерезанием продольных силовых элементов) снизит весовую эффективность(при сохранении прочности).
Вроде такого(из статьи про МС-21):
alexhott
19.03.2018 18:28На подводных лодках давно про такое пишут, но конкретики не встречал. Либо не получилось либо секрет
DMGarikk
19.03.2018 18:35-1каждая из которых снабжена датчиком давления, микрокомпьютером и пластиной-крылышком
зачем там микрокомпьютер? чтобы больше проблем с питанием было и с организацией работы этого компьютера при температуре -55?
YRatay
19.03.2018 19:53Интересно, но не жизнеспособно в ГА — это значительно поднимет стоимость лётного часа, а военным думаю будет интересно.
Garbus
19.03.2018 21:16Почему это должно сильно поднять стоимость? Может после доработки использование на некоторых (небольших) участках крыла позволит достаточно сэкономить на топливе, чтоб компенсировать затраты на использование? Понятно, что попытка «вотпрямщас» налепить погуще будет сомнительной.
poznawatel
19.03.2018 21:33Совсем-совсем не имеет аналогов? А управления пограничным слоем не существует?
slovak
19.03.2018 21:44Для централизованного управления всеми ячейками не хватило бы быстродействия даже самого мощного современного компьютера», — сказал разработчик математического решения, постдок СПбГУ Константин Амелин.
Ага, и китайские серво-двигатели в прототипе. Профессионализм. Господин Амелин прям гуру системной инженерии и оптимизации выбора компонентов.
george_vernin
20.03.2018 02:28Я думаю что как это и есть пример того как секретные технологии разрабатываются под видом глупости и воровства. ( Как некоторые писали в коментах к статье " Сенсационные военные технологии для космонавтики будущего")
Судя по внешнему виду на фото — больших нагрузок и набегающего потока воздуха эта штука не выдерживает…
А значит работает при низких скоростях — эдтакий махолет — использующий движение крыльев как птица… Не зря в статье упомянуты — «перья»!
Аналогов в мире нет!vasimv
20.03.2018 03:02Я так понимаю, оно не подъемную силу создает, а выполняет роль улучшенных рулей/закрылков/элевонов. Но нагрузок действительно не выдержит больших, не говоря уже о сложности, ненадежности и прочего.
george_vernin
20.03.2018 13:38Понятно — что пока оно ничего не создает…
Тестируется в каких то непонятных условиях или фото — лажа
cheburen
20.03.2018 04:37вроде на современных самолетах уже есть что-то подобное, когда заходили на посадку наблюдал работу крыла, там дополнительные плоскости на крыле поднимались на каждое шевеление корпуса, тем самым уменьшая их значительно, очеь похоже на то что тут "изобрели", скорее всего тут несколько другой принцип, но подобные системы уже есть и показали свою эффективность.
spc
20.03.2018 09:01Принцип здесь другой в том, что декларируется автономное прогнозирование и парирование возможных возмущений. Однако надо понимать, что наблюдаемое вами движение плоскостей — это, в общем-то, логика автопилота, который помогает летчикам удерживать самолет на курсе.
А вот упоминаемая здесь автономная система, живет в своем собственном мире и обеспечивает некую абстрактную устойчивость. Собственно, я вот это сейчас сказал, и у меня появилось много вопросов по поводу автономности. По-хорошему, в данном контексте это минус, поскольку возможен конфликт с автопилотом, а с учетом того, что летчики (как показывает практика) не всегда хорошо распознают особенности сложных ситуаций, в которые попадают, может случиться и совсем плохо.
В общем, идея интересная (примерно как идея обклеивать военные самолеты по периметру крошечными РЛС), но пока неясно, к чему все это приведет.
Bedal
20.03.2018 09:49Очень оторванная от реальности работа. Но очень неплохой студенческий тренинг. Но на самолёте всё равно не заработает. Но на лопастях ветрогенераторов — уже может. Но для реализации студенческих тренингов нужны деньги. Но грант под «научить студентов» у нас не выбить. Но под «не имеет аналогов» — можно. Но всё равно — как-то это топорно. Но — желаю всяческой удачи.
Reflector_U
20.03.2018 14:13Все это, конечно, красиво, но как быть с тем, что вместе со всей этой "матрицей актуаторов" добавляется и целая дополнительная матрица точек отказа?
Rambalac
Ссылки на публикации и результаты практических испытаний будут? Или это очередной блокчейн с
видео из игрыфоткой американского боинга?