Тороидальные винты: бесшумный переворот в воздухе и воде

Пропеллеры предназначены для подачи воздуха или воды и использования вращательного движения для их проталкивания. В некотором смысле они являются эволюцией винта Архимеда, который использовался в Древнем Египте за тысячи лет до того, как он был описан Архимедом в 234 году до нашей эры.

Однако для устройств, предназначенных для вращения, в течение очень долгого времени было мало революционных изменений в дизайне; винтовые самолеты до сих пор используют винты с витыми аэродинамическими лопастями, похожие по конструкции на бамбуковые вертолеты, которыми пользовались китайские дети 2400 лет назад, с удивительно небольшим приростом эффективности по сравнению с деревянными винтами, которые братья Райт разработали в аэродинамических трубах в 1903 году. Лодки до сих пор используют пропеллеры винтового типа, варианты которых можно найти еще в 1700-х годах.

Поэтому мы с удивлением обнаружили пару групп, утверждающих, что они продемонстрировали значительные преимущества как в воздухе, так и в воде, используя заметно отличающуюся форму — в частности, странные формы скрученных тороидальных колец, которые кажутся не только намного, намного тише, чем традиционные конструкции, но настолько более эффективными, особенно в морском пространстве, что они могли бы означать огромный скачок вперед.

Потенциальный переломный момент в воздухе

Одной из ключевых проблем с винтами для мультикоптеров стал их раздражающий шум, который часто называют «плаксивым», потому что большая его часть находится в том же частотном диапазоне, что и плач ребенка. Люди, как правило, наиболее чувствительны к звукам в диапазоне от 100 Гц до 5 кГц. Это имеет эволюционный смысл; именно здесь мы слышим гласные звуки, которые являются ключом к словесному общению. Но это ключевой вопрос, если мультикоптеры собираются реализовать свой потенциал и наполнить наше небо быстрыми, дешевыми и экологически чистыми услугами воздушной доставки. Жители и законодатели не хотят добавлять в городскую жизнь еще больше раздражающих шумов.

Команда, работающая над бесшумным самолетом с ионным двигателем в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, задалась вопросом, можно ли уменьшить шум пропеллеров в мультикоптерах с помощью пропеллеров другой формы.

«Пропеллеры довольно шумные», — говорит доктор Томас Себастьян, старший сотрудник группы разработки конструкций и тепловых жидкостей в лаборатории Линкольна. «И мы можем посмотреть на крылья, чтобы увидеть, как это работает. Когда в начале 1900-х годов и во время Второй мировой войны люди придумывали всевозможные сумасшедшие идеи для самолетов, было несколько конструкций, которые в основном представляли собой такие кольцевые крылья. Поэтому мне стало интересно, как бы это выглядело, если взять кольцевое крыло и превратили что-то подобное в пропеллер. Мы придумали первоначальную концепцию использования тороидальной формы, этой кольцеобразной формы крыла, чтобы сделать более тихий винт», — продолжает Себастьян. «У меня был стажер, который взял концепцию и создал несколько итераций с использованием 3D-принтеров».

За несколько попыток команда действительно нашла конструкцию, которая снижала не только общий уровень шума при заданном уровне тяги, но и особенно шум в диапазоне 1–5 кГц.

Они больше похожи на дуновение ветерка, чем на пропеллер, издавая гораздо менее навязчивый звук. Как ни странно, по словам команды, дрон, работающий с этими опорами, издает примерно такой же раздражающий звук, как и обычный дрон, примерно в два раза дальше.

«Ключевым моментом, который, по нашему мнению, должен был сделать пропеллеры тише, был тот факт, что теперь вихри, создаваемые пропеллером, распределяются по всей его форме, а не только на кончике», — говорит Себастьян. «Что затем заставляет его быстрее рассеиваться в атмосфере. Этот вихрь не распространяется так далеко, поэтому вы вряд ли его услышите».

Шум гребного винта можно в некоторой степени уменьшить, разместив кольца акустической обработки по окружности пути винта, которые также могут действовать как ограждения винта с точки зрения безопасности. Но они добавляют массу, сокращая срок службы батареи, а также могут ловить ветер на открытом воздухе, что усложняет работу дрона, чтобы оставаться стабильной.

Команда проанализировала эти странно выглядящие тороидальные винты, чтобы увидеть, будет ли снижение эффективности тяги. Судя по всему, нет: лучшая конструкция B160, разработанная командой, была не только тише при заданном уровне тяги, чем лучший испытанный ими стандартный винт, но и давала большую тягу при заданном уровне мощности, что весьма примечательно, учитывая, что стандартные винты имеют более чем столетнюю историю эксплуатации, а тороиды находятся на очень ранней стадии, и их еще предстоит оптимизировать.

Более того, их петлевая форма не только повышает устойчивость конструкции, но и снижает вероятность того, что опора порежет или зацепится за предметы, на которые наткнется.

С точки зрения недостатков, это довольно сложные формы, поэтому их намного сложнее изготовить, чем стандартные, используя дешевое и простое литье под давлением. Но даже если они удвоят или утроят цену пропеллеров, это недорогая часть дрона, и общее влияние на стоимость может быть не таким сильным.

На данном этапе неясно, могут ли подобные конструкции быть актуальными в более широком масштабе, заменяя традиционные пропеллеры на самолетах с неподвижным крылом или даже на электрических воздушных такси вертикального взлета и посадки. Последние уже кажутся значительно тише, чем вертолеты, но если они наводнят городское воздушное пространство быстрым, дешевым, экологичным воздушным транспортом, каждый децибел шума будет иметь значение, когда дело доходит до сопротивления общественности и регулирующих органов. Вопрос, на самом деле, в том, какие частоты будут занимать эти более крупные винты в звуковом спектре, и будут ли тороидальные винты сдвигать звук в удобном для человека направлении.

Команда запатентовала дизайн, и пока неясно, есть ли планы по его коммерциализации, Массачусетский технологический институт, похоже, готов предоставить лицензию заинтересованным производителям.

Еще большее преимущество в воде

Дроны и авиация — это одно, а аэродинамика и гидродинамика тесно связаны, и оказывается, что уже есть продукт, который использует очень похожий подход.

Компания Sharrow Marine добилась откровенно впечатляющих результатов от гребных винтов для лодок, в которых вместо стандартных лопастей используются тороидальные петли. После нескольких лет разработки компания протестировала свои винты на сотнях стандартных винтов, и разница невероятна. Стойки Sharrow просто не создают вихри на концах – главный источник потерь энергии и удивительно большая составляющая общего шума подвесного двигателя.

Значительно уменьшая количество жидкости, которая «выскальзывает» из боковых частей гребного винта, а не проталкивается, тороидальные винты всасывают больше воды и продвигают лодку дальше за один оборот. Они регулярно удваивают скорость, которую лодка может развивать на низких и средних оборотах, радикально расширяя эффективный диапазон оборотов двигателя. Кроме того, они снижают расход топлива примерно на 20 %, что очень важно, учитывая огромные потребности винтовых лодок в энергии и масштабы отрасли.

Sharrow говорит, что они дают интересный эффект, значительно снижая склонность лодки к крену назад при ускорении; вместо этого вся лодка поднимается из воды, оставаясь при этом намного более ровной. Вдобавок ко всему, основательное влияние на шум, как можно увидеть на видео ниже.

Компания заявляет, что это гребной винт, который можно прикрепить к любому подвесному мотору, а затем разогнаться 48 км/ч достаточно тихо, чтобы разговаривать на борту, не повышая голоса.

Sharrow уже продает свои тороидальные винты, изготовленные на станках ЧПУ, чтобы они подходили для широкого спектра распространенных подвесных моторов большинства крупных производителей. Недостатком здесь является цена - они стоят 4999 долларов США за штуку, независимо от модели, тогда как обычный пропеллер может стоить ближе к 500 долларам США. Но опять же, это довольно небольшая составляющая в общей стоимости многих лодок, и, учитывая их ненасытный аппетит к топливу, затраты вполне могут окупиться в короткие сроки, а также сделать поездку намного более комфортной для людей на борту, наблюдателей и морских обитателей.