NASA испытает вентилятор для «утопленных» двигателей
NASA и американский исследовательский центр UTRC в ближайшее время начнут продувочные испытания вентилятора, рассчитанного на всасывание воздушного пограничного слоя. Как пишет Aviation Week, такой вентилятор будет устанавливаться на новые турбовентиляторные двигатели для перспективных пассажирских и военных самолетов. Продувочные испытания нового всасывающего устройства для силовых установок будут проводиться в аэродинамической трубе Исследовательского центра имени Гленна.
На современных пассажирских и некоторых военных самолетах используются дозвуковые турбовентиляторные двигатели. В крейсерском режиме полета в силовых установках такого типа большую часть тяги создает воздушный поток, образуемый вентилятором. Если говорить упрощенно, то чем больше вентилятор, тем выше его вклад в создание тяги двигателя. Однако простое увеличение диаметра вентилятора ведет к возникновению другой проблемы — существенного лобового сопротивления в полете.
В полете набегающий воздух несколько тормозится вентилятором, а затем уже затягивается в двигатель. Такое торможение приводит к частичной потере эффективности силовой установки. Для соблюдения баланса между подачей воздуха в двигатель и его торможением на входе лопаткам вентилятора придают особую форму. Обычно они имеют вид сабель с неравномерным изгибом для оптимизации воздушного потока по всей длине (подробнее о вентиляторах и турбовентиляторных двигателях можно почитать в нашем материале).
В качестве одного из способов уменьшения лобового сопротивления турбовентиляторного двигателя разработчики видят его «утапливание» в корпус самолета. В этом случае силовая установка получит щелевой немного выступающий над поверхностью фюзеляжа самолета воздухозаборник. Такое решение, по предварительным расчетам, существенно снизит общее лобовое сопротивление летательного аппарата и позволит повысить топливную эффективность по меньшей мере на восемь процентов.
Однако невозможно взять один из существующих двигателей и «утопить» его в корпусе самолета, потому что это приведет к существенному падению мощности силовой установки и повышению расхода топлива. Дело в том, что вентиляторы на всех без исключения турбовентиляторных двигателях настроены на работу с набегающим свободным потоком воздуха. Но вентилятору «утопленного» в фюзеляж двигателя придется втягивать пограничный воздушный слой с ламинарным медленным течением.
Пограничным воздушным слоем называют тонкий слой на поверхности летательного аппарата, характеризующийся сильным градиентом скорости от нуля до скорости потока вне пограничного слоя. Вентилятор, настроенный на прямой приток воздуха, в «утопленной» конфигурации будет создавать на входе сильный перепад давления, что в свою очередь будет нарушать ламинарное течение воздуха по фюзеляжу перед воздухозаборником и после него. Частично эту проблему можно решить уменьшением глубины воздухозаборника.
Для нормальной работы двигателя в условиях, когда на вход подается воздух из пограничного слоя, необходимо также изменить конфигурацию лопаток вентилятора. Лопатки типичного вентилятора турбовентиляторного двигателя имеют угол атаки 27 градусов. Разработчики провели серию вычислений и компьютерное моделирование, по итогам которых пришли к выводу, что оптимальным углом атаки лопаток вентилятора, оптимизированного для втягивания пограничного слоя, являются 17 градусов.
Испытания вентилятора, оптимизированного для втягивания пограничного воздушного слоя, будут проводиться в аэродинамической трубе на имитированной скорости полета в 0,8 числа Маха (988 километров в час). Как ожидается, установка такого вентилятора на обычный турбовентиляторный двигатель, «утопленный» в фюзеляже, даст прирост топливной эффективности 4,5 процента. Прибавки еще в 3,5 процентных пункта разработчики намерены добиться изменением конфигурации лопаток вентилятора.
В середине октября американская компания Lockheed Martin приступила к формированию концепции перспективного самолета-заправщика KC-Z. В нем особое внимание планируется уделить малозаметности. Для ее снижения компания планирует оснастить танкеры «утопленными» в фюзеляж двигателями, воздухозаборники которых будут прикрыты от радаров гаргротом. За полет KC-Z будут отвечать турбовентиляторные двигатели с вентиляторами, оптимизированными для втягивания пограничного воздушного слоя.
Василий Сычёв
Для движения ему достаточно одного актуатора
Инженеры разработали миниатюрного робота CurveQuad массой чуть больше 10 грамм. Его гибкий корпус деформируется за счет изогнутых складок и позволяет роботу продвигаться вперед, а также поворачивать, используя для этого только один актуатор. Разработчики продемонстрировали способность CurveQuad автоматически двигаться в направлении источника света, определяя его положение с помощью встроенных фотоэлементов. Текст доклада с описанием робота опубликован в рамках конференции IROS 2023. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Интерес инженеров к разработке миниатюрных роботов связан возможностью выполнять задачи в условиях ограниченного пространства. Например, миниатюрных роботов предлагают использовать для внутренней диагностики механизмов без их разборки, для разведки, и для обследования разрушенных в результате стихийных бедствий зданий в поисках выживших людей. Однако разработка роботов сантиметрового масштаба — непростая задача и ее решение требует множества конструктивных компромиссов. Более сложная походка, например, может добавить роботу проворности, однако одновременно с этим приведет к росту числа степеней свободы конечностей, а значит к увеличению количества используемых актуаторов. Это, в свою очередь, оборачивается усложнением конструкции, увеличением размеров, массы и энергопотребления. Одним из решений этой проблемы могло бы стать применение в конструкции элементов оригами или киригами. Складки упругого материала, выполненные с дополнительным изгибом, позволяют накапливать дополнительную механическую энергию, чем можно воспользоваться, чтобы сократить число актуаторов, необходимых для приведения робота в движение. Такой подход выбрали инженеры под руководством Синтии Сун (Cynthia Sung) из Университета Пенсильвании. Они создали миниатюрного робота под названием CurveQuad, который благодаря изогнутым складкам в конструкции оказался способен передвигаться с помощью всего лишь одного актуатора. Масса робота составляет 10,9 грамм, а ключевая деталь его корпуса представляет собой тонкую прямоугольную пластину из PET-пластика (полиэтилентерефталат) размером 80 × 55 миллиметров. В ней с помощью лазера выполнены прорези в виде последовательно расположенных полукругов, образующих паттерн в форме двух параллельных дуг с каждой стороны пластины, симметрично расположенных относительно центра. Материал в этих областях может легко изгибаться благодаря прорезям, создавая выпуклую и вогнутую складки. В центральной полосе обеих дуг на небольшом расстоянии друг от отдруга закрепляются концы двух «сухожилий» — тяг, которые соединяются противоположной стороной с концами рычага, закрепленного на сервомоторе, ось которого находится в центре пластины. Сервопривод может поворачивать рычаг в диапазоне 270 градусов, при этом «сухожилия», соединяющие концы рычага с корпусом, стягивают его вовнутрь, приводя к изгибам. В зависимости от угла поворота рычага корпус может из плоской пластины принять симметричную куполообразную форму. В этом положении концы пластины начинают играть роль четырех конечностей робота. В промежуточных положениях рычага сервопривода корпус несимметрично деформируется по диагонали. При этом передняя «конечность» приподнимается над поверхностью, а задние смещаются друг относительно друга. Из-за возникающей между ними разности в силах трения в этот момент корпус робота смещается вперед. Если затем такую же деформацию выполнить в противоположную сторону, то робот сделает второй шаг с помощью второй «ноги». Регулируя с помощью угла поворота рычага величину деформации, а следовательно и длину шага слева и справа можно управлять направлением движения робота CurveQuad. https://www.youtube.com/watch?v=RnSHG5F2Iek Для демонстрации возможности управления роботом с помощью обратной связи, инженеры установили на углах корпуса четыре фотоэлемента. Алгоритм сравнивает сигналы, полученные от сенсоров с левой и правой сторон, и в зависимости от того, с какой стороны сигнал больше, выбирает походку, которая поворачивает робота в этом направлении. В результате в каком бы положении робот ни находился изначально, он разворачивается на источник света и начинает двигаться в его направлении. В своей следующей работе инженеры планируют сосредоточиться на взаимодействии между несколькими роботами CurveQuad. Для этого они планируют добавить им возможность общаться друг с другом, чтобы роботы могли выполнять задачи сообща, например, вместе обследовать окружающую территорию. А вот другому микророботу, созданному группой американских и китайских инженеров, для передвижения не нужны сервомоторы. Вперед он движется под действием колебаний встроенной в его корпус пьезоэлектрической пленки, а повороты совершает за счет изменения силы трения между поверхностью и электростатическими площадками на концах передних ног.