Лопастные пропеллеры в той или иной форме предназначены для перемещения воздуха или воды вращательными движениями и отбрасывания потока среды назад с целью создания тяги. Хотя они сыграли важнейшую роль в развитии транспортной индустрии, как ни странно, за всю историю море- и воздухоплавания они не претерпели существенных изменений. Однако две группы исследователей готовы предложить революционное решение как для авиационной, так и для морской отраслей – тороидальные винты.
Как для устройств, предназначенных для вращения, в истории дизайна винтов было не так уж много поворотных моментов. Винтовые летательные аппараты по сей день используют пропеллеры с аэродинамическим профилем: они не слишком отличаются от «бамбукоптеров», которыми играли китайские дети более 2400 лет назад, и дают не такой уж значимый прирост эффективности в сравнении с деревянными винтами, разработанными братьями Райт в начале XX века. Тем временем на судах также всё ещё устанавливают гребные винты, первые вариации которых появились ещё в 1700-х годах. Тем прекраснее, что сегодня сразу две группы исследователей и инженеров независимо друг от друга предлагают миру революционные с точки зрения прироста эффективности и тихой работы тороидальные винты.
От винта!
Одним из самых неприятных моментов в работе с мультикоптерами является режущий уши шум, который нередко называют «плачущим», поскольку его частотный диапазон совпадает с диапазоном детского плача. Многие видят дроны как перспективное направление развития социальной инфраструктуры в целом и сервисов доставки в частности, однако едва ли их польза в полной мере перекрывает сопутствующую им звуковую нагрузку. Команда инженеров из Лаборатории Линкольна в структуре МТИ, работающая над созданием беззвучного ионного самолёта, пришла к выводу, что уровень шума пропеллеров можно было бы контролировать за счёт изменения их формы. По словам доктора Томаса Себастьяна из Лаборатории Линкольна, в поисках «тихой» формы пропеллера его команда обратилась к нестандартным задумкам, к которым авиаторы обращались ещё на заре индустрии и в годы Второй мировой войны.
The toroidal propeller, one of the Lab’s @RD100Awards winners, has a unique, closed-form propeller design that makes it a significantly quieter alternative to common multirotor propellers on commercial uncrewed aerial vehicles. https://t.co/hgda3NgYIz pic.twitter.com/5XkIxNVPHd
— Lincoln Laboratory (@MITLL) January 6, 2023
Прежде всего их заинтересовали кольцевые крылья с замкнутым контуром. При помощи 3D-принтеров они изготовили множество вариаций тороидальных винтов и испытали их на предмет громкости работы и частотного диапазона производимого ими шума. Так они обнаружили наиболее удачный вариант, продемонстрировавший снижение звуковой нагрузки в диапазоне 1-5 кГц, к которому люди эволюционно наиболее чувствительны. Шум их работы больше напоминает звук порывистого ветра. По словам учёных, тороидальные винты производят значительно менее навязчивый и раздражающий звук – будто дрон находится не рядом с вами, а пролетает на некотором удалении. Анализируя тороидальные винты, учёные также рассмотрели показатели его производительности, ожидая увидеть падение эффективности тяги. Вопреки всеобщим ожиданиям, самый удачный прототип B160 был не просто тише стандартного пропеллера на аналогичном уровне тяги, но также произвёл больше тяги при равном потреблении энергии.
Кроме того, тороидальные винты продемонстрировали более высокие показатели структурной стабильности. Они реже повреждались при столкновении с объектами и наносили меньший ущерб своему препятствию. Увы, революционный форм-фактор не лишён недостатков. В частности, из-за сложной формы лопастей они заметно сложнее в производстве с применением традиционных методов вроде литья под давлением. Вероятно, подобные элементы придётся печатать на 3D-принтерах, что может отразиться в несколько более высокой цене. И наконец, пока неизвестно, насколько подобные винты будут полезны и актуальны при увеличении масштабов летательных аппаратов, начиная от мультикоптеров уровня воздушного такси и заканчивая традиционными винтовыми самолётами.
Гребные винты Sharrow MX
Учитывая близость законов аэро- и гидродинамики, совершенно неудивительно, что специалисты судостроительной отрасли также пришли к идее тороидальных винтов. Более того, по данным Sharrow Marine, результаты модификации формы пропеллера в водной среде оказались ещё более впечатляющими. Разработанные данной компанией винты попросту не производят концевых вихрей – самого существенного фактора потерь энергии и довольно значимого источника нежелательного шума. С каждым поворотом тороидальный пропеллер Sharrow Marine проталкивает через себя больше воды, тем самым продвигая судно вперёд сильнее обычных гребных винтов. По словам инженеров компании, Sharrow MX почти вдвое увеличивает максимальную скорость судна при тех же показателях работы двигателя на низких и средних оборотах. Кроме того, производители утверждают, что, изменив лишь форму винта, они добились снижения расхода топлива на 20%.
