211service.com
Energibesparande helikopterblad
Helikoptrar kan utföra några otroliga aerobatiska bedrifter, men de är också bullriga, skakiga och dyra att köra. NASA-forskare utvecklar helikopterblad med ett formskiftande smart material som kan leda till en mjukare, tystare och mer bränslesnål resa.
Smarta blad: NASA testade sina nya ställdon i en vindtunnel vid Ames Research Center med fullskaliga helikopterblad (överst). Ställdonet (botten) innehåller piezoelektriska material, som ändrar form när de utsätts för ett elektriskt fält. Ledningarna i det övre högra hörnet av bilden är piezoelektriska staplar. När spänning appliceras sträcker de sig en liten mängd, vilket skapar en mekanisk rörelse som flyttar en klaff upp och ner. (Fliken är den långa, tunna, gula delen av bladet på den översta bilden.)
Bladen använder piezoelektriska ställdon – mekaniska enheter som innehåller ett material som ändrar form när det utsätts för ett elektriskt fält. Denna formändring deformerar rotorbladet när det snurrar, vilket förbättrar en helikopters aerodynamiska prestanda.
Förra året, NASA, i samarbete med flygbolag Boeing , Defense Advanced Research Projects Agency ( DARPA ), och den amerikanska armén, testade det första fullskaliga rotorbladet för att använda tekniken i en vindtunnel som simulerar flygförhållanden. Systemet minskade vibrationer avsevärt, sparade energi och gjorde att rotorns rörelser kunde kontrolleras mer exakt. I framtiden skulle systemet också kunna minska bullret. Den är nu redo att flygtestas, även om ett datum för den första flygningen ännu inte är satt.
Just nu försöker vi förstå och uppskatta allt vi har åstadkommit i den fullskaliga vindtunneln, säger William Warmbrodt, projektledare från flygfordonsforsknings- och teknologiavdelningen vid NASA:s Ames Research Center , i Kalifornien.
När ett helikopterblad passerar genom luften lämnar det efter sig ett kölvatten, och när bladet bakom det passerar genom det kölvattnet upplever det en periodisk vibration. Att ha bladaktivering gör att du kan sätta en periodisk rörelse in i bladflikarna med rätt amplitud, fas och frekvens för att eliminera den vibrationen, säger Steven Hall , en professor i flygteknik och astronautik vid MIT och en konsult på NASA-projektet.
Man har länge pratat om att använda smarta material i flygplan, men det som verkligen har saknats är rätt sorts ställdon för att göra det praktiskt, säger Hall. Tidigare ansträngningar, som involverade hydrauliska ställdon, visade sig vara för tunga och långsamma för att vara praktiska. Det är svårt att göra hydraulik i en roterande ram: du behöver tillräckligt med kraft för att avleda klaffen eftersom luftbelastningen är mycket hög, och du måste göra det med den frekvens som krävs, säger Hall.
Vind som blåser: Fullskaliga helikopterblad utrustade med ställdonen testades i världens största vindtunnel, belägen vid NASAs Ames Research Center i Kalifornien. Vindtunneln simulerar flygförhållanden motsvarande färd i 155 knop.
Det nya ställdonet sitter inuti stålramen på ett rotorblad nära både bladets spets, där de aerodynamiska krafterna är störst, och en klaff på den bakre delen som rör sig upp och ner när den svänger. Effektförstärkare sänder ett elektriskt fält till det piezoelektriska materialet inuti ställdonen, och det materialet reagerar med att ändra längden och expandera en mycket liten mängd (ungefär 10 till 20 tusendelar av en tum). Detta flyttar en stång vinkelrätt mot bladfliken, som trycker på klaffen. Du tar en liten rörelse och förstärker den tillräckligt för att flytta klaffen några grader, säger Hall.
Men rörelsen av klaffen skapar en dramatisk aerodynamisk förändring av bladet. Klaffen kan hjälpa till att generera lyft- eller lufthastighet, och medan ett flygplan bara kan använda klaffar för start och landning, kan sådana klaffar användas när som helst under en helikopterflygning.
Det som verkligen är viktigt är att de piezoelektriska materialen är styva och kan ändra form snabbt. Det är det som gör det till ett acceptabelt ställdon, säger Hall. De smarta materialen gör också ställdonsystemet lätt och kompakt. Dessutom har NASA-forskarna designat manöversystemet för att passa in i bladstrukturen på befintliga helikoptrar utan att väsentligt ändra rotorbladens design.
Smarta material har ett enormt löfte om att revolutionera hur vi designar, bygger och driver våra helikopterflygplan, säger Warmbrodt.
Projektet kan ha flera avknoppningar: den amerikanska armén utvecklar en andra rotor med elmotorer, och DARPA tillkännagav just en Mission Adaptive Rotor ( HAV ) program, som kommer att titta på ett antal tekniker, inklusive smarta material, för att förbättra rotorbladen som används i militärhelikoptrar.
Warmbrodt tillägger, DARPA MAR-programmet är nästa steg i att titta på hur vi radikalt kommer att förändra designen av helikopterblad för att uppnå en ny nivå av prestanda.