Во время работы лопасти несущего винта вертолета создают существенные вибрации и шум, которые вызывают дискомфорт у пассажиров, увеличивают рабочую нагрузку летчика, ограничивают скорость горизонтального полета, снижают срок службы рабочих элементов и увеличивают эксплуатационные расходы. Так происходит из-за изменения структуры и интенсивности набегающего воздушного потока, что существенно влияет на аэродинамические нагрузки, действующие на лопасть. Ученые Пермского Политеха разработали методику проектирования конструкции винта с активным закручиванием, которое позволят лопастям автоматически приспосабливаться к изменениям нагрузок в любой момент времени.
В Перми разработали новый метод проектирования лопастей несущего винта вертолета / © Adrian Kusznirewicz, Unsplash
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика». Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Для снижения возникающих в полете вибраций и шума используют различные методы. Традиционный способ – виброгасители и амортизаторы, но они приводят к нежелательному увеличению массы конструкции. Другие методы, например, раздельное управление лопастями, имеют недостатки, связанные с неблагоприятными требованиями к мощности и механической сложностью работы внутренних систем.
Современные лопасти преимущественно изготавливают из композиционных материалов, что позволяет значительно снизить массу при сохранении требуемой прочности и жесткости конструкции. Вместе с тем появляется возможность встраивать в конструкцию пьезоэлектрические актуаторы и датчики в технологическом процессе изготовления. Пьезоактуаторы — устройства, преобразующие электрическую энергию в механическое движение из-за особого материала, который деформируется при подаче на него сигнала. Благодаря ним конструкция лопасти изменяется, что позволяет подстраиваться под конкретные условия полета и приводит к улучшению летных характеристик.
Ученые Пермского Политеха разработали методику проектирования конструкции лопасти с изменяемой геометрией. Она состоит из трех программных блоков. Первый – это математическая модель, которая рассчитывает деформацию лопасти при заданных значениях конструктивных параметров. Второй – построение матрицы экспериментов, которая показывает, как будет работать лопасть при разных нагрузках. Третий блок используется для расчета оптимальных конструктивных параметров лопасти с точки зрения изменения геометрии, а именно, угла закручивания.
В результате проведенных исследований эксперты выяснили, что наименьшее влияние на угол закручивания оказывает длина стенки лонжерона (4,6 процента), умеренный эффект возникает от его толщины (7,7 процента). Наибольшее влияние оказывает толщина оболочки (48 процентов) и длина пьезоактуатора (64 процента).
«Управление углом закручивания позволяет предотвратить возникновение турбулентного потока по следу лопасти, снизить шум и вибрации несущего винта вертолета. Мы определили основные варьируемые параметры конструкции лопасти с различными материалами обшивки. Сравнительный анализ показал, что разница между решением, полученном в третьем блоке, и расчетами прямого численного моделирования не превышает девять процентов, что говорит о хорошей корреляции результатов», – комментирует Павел Писарев, доцент кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Ученые Пермского Политеха разработали уникальную методику проектирования конструкции лопасти вертолета с управляемой геометрией. Она позволит снизить шум и вибрации, сделать полет более комфортным за счет возможности «подстраиваться» под текущие нагрузки и погодные условия.
