NASA сфотографировало звуковой удар
NASA опубликовало фотографию пролета учебного самолета T-38C Talon напротив солнца на сверхзвуковой скорости. Снимок сделан шлирен-методом для изучения ударных волн, образующихся на кромках аэродинамических поверхностей сверхзвукового объекта. Исследования ведутся в рамках масштабного проекта по изучению сверхзвуковых полетов и разработке «тихих» самолетов, способных летать быстрее скорости звука.
На опубликованной фотографии отчетливо видны ударные волны — области, в которых давление, плотность и температура среды испытывают резкий и сильный скачок. Наблюдатель на земле воспринимает эти волны как очень громкий хлопок. Такое явление называется звуковым ударом и именно оно является одним из основных препятствий в развитии сверхзвуковой пассажирской авиации.
Судя по фотографии, основной фронт ударных волн образуется на кончике носового обтекателя T-38C, на кромках его воздухозаборников, передней и задней кромках крыла и на передних кромках его горизонтального хвостового оперения. В кадре не видны волны, образующиеся на верхней и нижней поверхностях фюзеляжа самолета в области фонаря кабины пилотов, киля, люков шасси, вихрегенераторов.
Шлирен-метод является одним из основных способов изучения воздушных потоков при проектировании и испытании новой авиационной техники. Такой способ фотографии позволяет выявлять оптические неоднородности в прозрачных преломляющих средах. В такой фотографии используются специальные линзы с отсекающей диафрагмой.
В таких фотоаппаратах прямые лучи проходят линзу и концентрируются на отсекающей диафрагме, которую еще называют ножом Фуко. При этом отраженный и рассеянный свет линзой не фокусируется на ноже и попадает на матрицу фотоаппарата. Благодаря этому ослабленный рассеянный и отраженный преломлениями в воздухе свет не теряется в прямых лучах.
В начале марта текущего года NASA заключило с компанией Lockheed Martin контракт, предполагающий разработку «тихого» сверхзвукового пассажирского самолета. Сумма сделки составила 20 миллионов долларов. Новый лайнер построят с применением технологии уменьшения сверхзвукового шума (QueSST).
Как ожидается, такая технология поможет снизить интенсивность шума самолета до уровня мягких пульсаций. NASA отвело компании 17 месяцев на разработку первоначального дизайна летательного аппарата. После этого начнется этап детального проектирования, строительства опытного экземпляра самолета и летных испытаний.
Технология QueSST предполагает разработку такой аэродинамической конструкции самолета, на кромках которой образовывалось бы как можно меньшее количество ударных волн. При этом те волны, которые будут все же образовываться, должны быть значительно менее интенсивными. «Тихий» лайнер будет допущен к обычным пассажирским перевозкам.
В настоящее время действуют требования Международной организации гражданской авиации к уровням авиационного шума в воздухе и в аэропортах. Согласно этим правилам, выполнять полеты на сверхзвуковой скорости над населенной сушей запрещено. Требование не распространяется на военные самолеты, для которых выделены специальные воздушные коридоры.
Его система управления автоматически находит оптимальные точки в воздушных потоках
Инженеры разработали алгоритм управления для беспилотников самолетного типа, который позволяет парить на восходящих воздушных потоках, расходуя в 150 раз меньше энергии, чем при активном полете с работающим двигателем. Алгоритм отслеживает и подстраивается под непрерывно изменяющиеся воздушные потоки, сохраняя высоту. Препринт доступен на arXiv.org. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Беспилотники самолетного типа более энергоэффективны, чем мультикоптеры. Благодаря крыльям они способны преодолевать большие дистанции и могут гораздо дольше находиться в воздухе. Причем эти параметры могут быть увеличены за счет парения — планирующего полета, в котором аппарат использует восходящие воздушные потоки для удержания в воздухе без использования тяги двигателей, аналогично тому, как это делают некоторые птицы. Группа инженеров под руководством Гвидо де Круна (Guido de Croon) из Делфтского технического университета разработала систему управления, которая позволяет беспилотникам самолетного типа без какой-либо предварительной информации о поле ветра самостоятельно находить оптимальные точки в восходящих воздушных потоках и использовать их для длительного парения с минимальным расходом энергии. В системе управления вместо обычного ПИД-регулятора используется метод инкрементальной нелинейной динамической инверсии, контролирующий угловое ускорение, подстраивая его под желаемые значения. Система управления может без изменения настроек работать и в режиме парения, и при полете с включенным двигателем во время поиска новых оптимальных точек в воздушных потоках или для компенсации резких порывов ветра. Для поиска оптимальных точек в поле ветра, в которых скорость снижения полностью компенсируется восходящим потоком воздуха, применяется алгоритм имитации отжига. Он случайно выбирает направления в пространстве пытаясь найти такую точку, в которой беспилотник может устойчиво лететь с минимально возможной тягой двигателя. Для тестов инженеры построили 3D-печатный прототип на основе модели радиоуправляемого самолета Eclipson model C. Он имеет размах крыла 1100 миллиметров и массу 716 грамм вместе с аккумуляторной батареей. В качестве полетного контроллера применяется Pixhawk 4. Помимо установленного под крылом и откалиброванного в аэродинамической трубе сенсора скорости, беспилотник имеет GPS-модуль для отслеживания положения во время полетов на открытом воздухе. В помещении применяется оптическая система Optitrack. Испытания проводились в аэродинамической трубе, возле которой установили наклонную рампу, для создания восходящего воздушного потока. Прототип запускали в воздушном потоке сначала на ручном управлении, после чего включали автопилот. Разработчики провели эксперименты двух типов. В первом они постепенно изменяли скорость воздушного потока от 8,5 до 9,8 метров в секунду при фиксированном угле наклона рампы. Во втором эксперименте скорость воздушного потока оставалась неизменной, зато менялся угол установки подиума. В обоих случаях алгоритм системы управления быстро находил в поле ветра точки, в которых мог поддерживать планирующий полет в течение более чем 25 минут, лишь изредка задействуя тягу двигателя в среднем лишь на 0,25 процента от максимальной, хотя при таких значениях воздушного потока для поддержания обычного полета требуется около 38 процентов. При изменении поля ветра из-за изменившегося угла наклона рампы или скорости воздушного потока алгоритм успешно находил и удерживал новое положение равновесия. В будущем инженеры планируют провести испытания на открытом воздухе. https://www.youtube.com/watch?v=b_YLoinHepo Американские инженеры и планетологи предложили использовать планер, способный длительное время держаться в воздухе за счет восходящих потоков и термиков, для изучения каньонов Марса. Предполагается, что такие аппараты с надувными разворачиваемыми крыльями могут стартовать с аэростата или дирижабля и затем планировать в атмосфере Марса от 20 минут до суток.