Представьте себе вертолет, который летит не только за счет бешеной мощности двигателя, а еще и потому, что его лопасти буквально подстраиваются под поток воздуха — где-то чуть сильнее изгибаются, где-то, наоборот, становятся жестче. Звучит как научная фантастика, да? Но в Пермском Политехе эту фантастику уже превратили в работающую технологию. Профессор Андрей Паньков придумал, как заставить лопасть менять форму прямо во время полета, и теперь инженеры по всему миру, думаю, будут пересматривать свои чертежи.
Я поговорил с разработчиками, изучил отчеты Минобрнауки и даже влез в скучные (на первый взгляд) научные журналы, чтобы понять: как так вообще возможно — заставить жесткий кусок композита шевелиться по команде? И главное — зачем это нужно обычным пассажирам, которые просто хотят долететь из точки А в точку Б без ощущения, что они попали в бетономешалку.
Почему лопасть не может быть идеальной всегда
Вы когда-нибудь задумывались, почему у самолетов винты такие странные, с перекрученными лопастями? Это не дизайнерская прихоть, а жесткая необходимость. Дело в том, что профиль, который идеально тянет машину вверх на взлете, начинает дико вибрировать и создавать сопротивление, когда самолет разгоняется. Это как пытаться бежать в кроссовках с шипами по асфальту — вроде и можно, но удовольствия мало, да и кроссовки жалко.
Раньше инженеры решали эту проблему по-мужски: ставили тяжеленные механизмы, которые поворачивали всю лопасть целиком. Гидравлика, тяги, сервоприводы — все это железо весит сотни килограммов, жрет топливо и требует постоянного обслуживания. Вертолет и так штука не самая простая, а тут еще и дополнительный груз тащить.
Я разговаривал с одним вертолетчиком, он рассказывал: «В полете постоянно чувствуешь, как ручка управления вибрирует, особенно на скорости. Это лопасти пытаются бороться с воздухом». И он прав — турбулентные потоки, которые возникают за лопастью, создают ту самую тряску, которую так ненавидят пассажиры.
Пермские ученые пошли другим путем. Они решили: а что если не поворачивать лопасть целиком, а заставить ее работать как живая — изгибаться там, где нужно, прямо в процессе вращения? Для этого они использовали пьезоэлектрики. Это такие хитрые материалы, которые под напряжением меняют форму: подал ток — элемент сжался или растянулся. Идея не новая, честно скажу, такие штуки пробовали применять и американцы, и европейцы. Но у них получалось слабовато: угол отклонения был мизерный, на полет это никак не влияло.
Андрей Паньков придумал, как обойти эту проблему. Вместо обычных электродов он предложил конструкцию в виде двух гребенок, повернутых друг к другу зубьями. Звучит сложно, но представьте обычную расческу, а рядом вторую, повернутую зубьями к первой, но не касающуюся ее. Когда подается напряжение, между этими зубьями возникает поле, которое заставляет материал работать гораздо эффективнее. Результат — угол поворота закрылка увеличился на 20% по сравнению с тем, что делали другие. Это уже серьезно, это уже можно использовать в реальной авиации.
Четыре градуса, которые меняют всё
В пресс-службе Минобрнауки мне рассказали, что вся поверхность лопасти покрывается маленькими пьезоэлементами, как мозаикой. «Но каждый такой элемент имеет свою собственную текстуру, — пояснил сам профессор Паньков в интервью ТАСС. — Когда подается напряжение, каждая ячейка деформируется по-своему, и лопасть изгибается или закручивается ровно настолько, насколько нужно в данный момент». Представляете? Это как если бы у вас была футболка, которая сама становится теплее на морозе и тоньше в жару, только здесь лопасть подстраивается под воздушные потоки в реальном времени.
Но ученые на этом не остановились. Они создали цифрового двойника лопасти, прогнали его через кучу тестов, а потом проверили в лаборатории. Взяли образец из углепластика, закрепили, в центр поставили пьезоактюатор, подали напряжение — от 200 до 1000 вольт, между прочим, — и лазерными датчиками ловили каждое движение.
Екатерина Нуреева, аспирантка кафедры, которая участвовала в экспериментах, рассказала, что модель оказалась точной до 8% погрешности. Это очень хороший показатель для таких сложных вещей. Но главное они выяснили потом, когда начали считать. Чтобы вертолет перестал трястись и шуметь так, что у пассажиров закладывает уши, нужно, чтобы лопасть закручивалась на 4 градуса. Доцент Павел Писарев объяснил это так: «Такой угол позволяет предотвратить возникновение турбулентного потока за лопастью». Четыре маленьких градуса — и вибрация уходит, пилот меньше устает, конструкция дольше живет, пассажиры не сходят с ума от шума.
Кстати, о шуме. Любой, кто летал на вертолете Ми-8 (а таких людей в России много, особенно в северных регионах), знает: после получаса полета хочется просто оглохнуть, лишь бы не слышать этот грохот. Современные вертолеты, конечно, стали тише, но проблема вибрации остается. И вот здесь пермская разработка может реально изменить ситуацию.
Углепластик, электричество и никакой магии
Самое интересное, что всю эту конструкцию можно встраивать прямо в композитные материалы, из которых сегодня делают лопасти. Углепластик легче алюминия, прочнее стали и позволяет создавать такие формы, которые металлу и не снились. В МГТУ имени Баумана, например, недавно сделали винт для беспилотника: алюминиевый весил 12 килограммов, а углепластиковый — всего 1,6. Разница колоссальная.
И вот теперь представьте: такой же легкий винт, но с встроенной в него «нервной системой» из пьезоэлементов. Никаких тяжелых моторов, никаких гидравлических цилиндров — только тонкие провода и маленькие керамические пластинки, которые получают команду и гнут лопасть куда надо. Это как перейти от паровоза к современному электропоезду.
Конечно, до того, как такие лопасти появятся на серийных вертолетах и самолетах, пройдет еще несколько лет. В пресс-службе ПНИПУ мне сказали, что сейчас готовятся создать полноразмерный прототип и начать испытания. Нужно убедиться, что эти пьезоячейки выдержат и мороз под 50 градусов, и жару, и вибрации, и удары. Но то, что технология работает, — это уже доказано.
Если честно, я впервые за долгое время вижу разработку, которая не просто «научное достижение для отчетов», а реально полезная вещь, которая сделает нашу жизнь чуточку комфортнее. Летать мы будем дешевле (меньше вес — меньше расхода топлива), тише и безопаснее. И все это благодаря тому, что в Перми кто-то догадался сделать электроды в виде расчески и покрыть лопасть мозаикой из керамики.
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые статьи и ставьте нравится.
