Может ли тороидальный пропеллер изменить будущее дронов: объяснения эксперта
Тороидальные пропеллеры стали недавним достижением в аэродинамике. Эти устройства имеют кольцеобразную форму с лопастями, петляющими друг вокруг друга. Их преимущества и недостатки разъясняют на сайте The conversation.
В 2017 году исследователи Массачусетского технологического института подали заявку на патент на тороидальные пропеллеры. В документе утверждается, что изобретение более эффективно и менее шумно, чем традиционные пропеллеры. Причина, по которой тороидальные пропеллеры работают тише, заключается в их сложной форме – она сводит к минимуму силу вихря (спиральное движение воздуха, воды или другой жидкости), который естественным образом возникает на концах лопастей пропеллера.
Это явление характерно не только для лопастей пропеллера, которые, по сути, представляют собой вращающиеся крылья. Крыло самолета также испытывает это явление. Инженеры провели много исследований устройств законцовок крыла, которые могут свести к минимуму это.Сверхновый пропеллер готовит революцию в авиа- и судостроении
— STARLINK (@lgj170) April 2, 2023
Тороидальный пропеллер – это новый тип пропеллеров, разработанный компанией Sharrow в сотрудничестве с MIT. Он имеет форму скрученных тороидальных колец и позволяет существенно увеличить тягу и эффективность, а также pic.twitter.com/74hzMMkF08
Использование конструкций с замкнутым контуром, например, в тороидальном гребном винте, является одним из способов уменьшения концевых вихрей.
Важно понимать, что геометрия винта должна быть оптимизирована для определенного “рабочего диапазона” – определенных свойствах жидкости или воздуха, в которых он работает, скорость вращения, скорость движения вперед и другие детали. За пределами этого диапазона пропеллер будет работать плохо.
До сих пор никому не удалось добиться волшебной геометрии винта, обеспечивающей низкий уровень шума и высокую эффективность для любых условий эксплуатации и масштабов. Тороидальные пропеллеры не являются исключением: из имеющихся пока немногочисленных результатов их преимущества еще не полностью определены.
Хорошо спроектированные тороидальные пропеллеры могут иметь преимущества в определенных условиях эксплуатации, таких как плотные жидкости или определенный диапазон скоростей. Однако остается вопрос, чем тороидальный пропеллер отличается от хорошо сконструированного традиционного пропеллера в тех же условиях.
Еще один аспект честного сравнения, который не был опубликован для тороидальных винтов, – это сравнение различных винтов при одинаковой силе тяги. Только тогда можно увидеть истинные преимущества в отношении снижения шума и энергии, необходимой для вращения винта.
Объявление Массачусетского технологического института о том, что тороидальные пропеллеры выиграли одну из наград MIT Lincoln Laboratory 2022 R&D 100 Awards, вызвала значительный ажиотаж. Были широко распространены эксперименты с тороидальными пропеллерами, напечатанными на 3D-принтере, но не все из них дали положительные результаты, что может быть связано с неоптимизированной геометрией.
Тороидальные пропеллеры также имеют явные недостатки. Основной из них является сложность масштабирования их для массового производства из-за их сложной геометрии, что приводит к высокой стоимости производства. Сложная конструкция также требует особой осторожности, чтобы избежать нежелательных вибраций, что является серьезной проблемой при вращении на высоких скоростях и также увеличивает производственные затраты.
Когда дело доходит до использования тороидальных пропеллеров для дронов, их больший вес также будет влиять на отзывчивость и устойчивость дрона. Это имеет решающее значение при работе в ветреных и турбулентных условиях.
В целом, тороидальные пропеллеры представляют собой захватывающую разработку в конструкции пропеллеров, по крайней мере, в некоторых случаях. Хотя они могут быть более тихими, они пока не заменят полностью традиционные пропеллеры, потому что не существует единственной конструкции пропеллера, подходящей для всех ситуаций.