211service.com
Energibesparende helikopterblade
Helikoptere kan udføre nogle utrolige aerobatiske bedrifter, men de er også støjende, rystende og dyre i drift. NASA-forskere udvikler helikopterblade med et formskiftende smart materiale, der kan føre til en jævnere, mere støjsvag og mere brændstoføkonomisk tur.
Smarte klinger: NASA testede sine nye aktuatorer i en vindtunnel ved Ames Research Center ved hjælp af fuldskala helikopterblade (øverst). Aktuatoren (nederst) indeholder piezoelektriske materialer, som ændrer form, når de udsættes for et elektrisk felt. Ledningerne i øverste højre hjørne af billedet er piezoelektriske stakke. Når der påføres spænding, strækker de sig en lille smule, hvilket skaber en mekanisk bevægelse, der bevæger en klap op og ned. (Fligen er den lange, tynde, gule del af bladet på det øverste billede.)
Bladene bruger piezoelektriske aktuatorer - mekaniske enheder, der indeholder et materiale, der ændrer form, når det udsættes for et elektrisk felt. Denne formændring deformerer rotorbladet, når det drejer, hvilket forbedrer en helikopters aerodynamiske ydeevne.
Sidste år, NASA, i samarbejde med rumfart selskab Boeing , Defence Advanced Research Projects Agency ( DARPA ), og den amerikanske hær, testede den første fuldskala rotorvinge til at bruge teknologien i en vindtunnel, der simulerer flyveforhold. Systemet reducerede vibrationer markant, sparede energi og gjorde det muligt at styre rotorens bevægelse mere præcist. I fremtiden vil systemet også kunne reducere støj. Den er nu klar til at blive flytestet, selvom en dato for den første flyvning endnu ikke er fastsat.
Lige nu forsøger vi at forstå og værdsætte alt, hvad vi har opnået i vindtunnelen i fuld skala, siger William Warmbrodt, projektleder fra Flight Vehicle Research and Technology Division hos NASA's Ames Research Center , i Californien.
Når en helikoptervinge passerer gennem luften, efterlader den et kølvand, og når bladet bagved passerer gennem det kølvand, oplever det en periodisk vibration. At have klingeaktivering giver dig mulighed for at sætte en periodisk bevægelse ind i klingeklapperne med den rigtige amplitude, fase og frekvens for at udligne den vibration, siger Steven Hall , professor i luftfart og astronautik ved MIT og konsulent på NASA-projektet.
Folk har længe talt om at bruge smarte materialer i fly, men det [har] virkelig manglet, er den rigtige slags aktuator til at gøre det praktisk, siger Hall. Tidligere anstrengelser, der involverede hydrauliske aktuatorer, viste sig at være for tunge og langsomme til at være praktiske. Det er svært at lave hydraulik i en roterende ramme: du har brug for kraft nok til at afbøje klappen, fordi luftbelastningen er meget høj, og du skal gøre det med den frekvens, der kræves, siger Hall.
Vind blæst: Fuldskala helikoptervinger udstyret med aktuatorerne blev testet i verdens største vindtunnel, placeret ved NASAs Ames Research Center i Californien. Vindtunnelen simulerer flyveforhold svarende til at rejse med 155 knob.
Den nye aktuator sidder inde i stålrammen på et rotorblad nær både spidsen af bladet, hvor de aerodynamiske kræfter er størst, og en klap på den bagerste del, der bevæger sig op og ned, mens den drejer. Effektforstærkere transmitterer et elektrisk felt til det piezoelektriske materiale inde i aktuatorerne, og dette materiale reagerer ved at ændre længden og udvide sig en meget lille mængde (omkring 10 til 20 tusindedele af en tomme). Dette flytter en stang vinkelret på klingeklappen, som skubber klappen. Du tager en lille bevægelse og forstærker den nok til at flytte klappen et par grader, siger Hall.
Men bevægelse af klappen skaber en dramatisk aerodynamisk ændring af bladet. Klappen kan hjælpe med at generere løft eller lufthastighed, og mens et fly kun kan bruge flaps til start og landing, kan sådanne flaps bruges når som helst under en helikopterflyvning.
Det, der er virkelig vigtigt, er, at de piezoelektriske materialer er stive og kan ændre form hurtigt. Det er det, der gør den til en acceptabel aktuator, siger Hall. De smarte materialer gør også aktuatorsystemet let og kompakt. Desuden har NASA-forskerne designet aktuatorsystemet til at passe ind i vingestrukturen på eksisterende helikoptere uden at ændre rotorbladenes design væsentligt.
Smarte materialer rummer et enormt løfte om at revolutionere, hvordan vi designer, bygger og betjener vores helikopterfly, siger Warmbrodt.
Projektet kan have flere spin-offs: den amerikanske hær er ved at udvikle en anden rotor ved hjælp af elektriske motorer, og DARPA har netop annonceret en Mission Adaptive Rotor ( HAV ) program, som vil se på en række teknologier, herunder smarte materialer, for at forbedre rotorbladene, der bruges i militærhelikoptere.
Warmbrodt tilføjer, at DARPA MAR-programmet er det næste skridt i at se på, hvordan vi radikalt vil ændre designet af helikoptervinger for at opnå et nyt niveau af ydeevne.