Источник: MIT

Базовая конфигурация традиционных винтов принципиально не изменилась со времени первого полета с двигателем  братьев Райт в 1903 году.

Однако по мере того, как инженеры узнают больше об аэродинамике и пытаются проводить новые эксперименты, пропеллеры приобретают более сложные формы. Они оснащены несколькими лопастями, большими углами стреловидности, устройствами на концах лопастей и другими функциями для оптимизации производительности в различных условиях.

Недавним достижением в области технологии пропеллеров являются «тороидальные» пропеллеры. Эти устройства имеют кольцеобразную форму, лезвия которых закручиваются друг вокруг друга. Несколько недавних статей и видео разрекламировали эти идеи, но насколько они на самом деле "революционны"?

Уточнение формы

В 2017 году исследователи из MIT подали патент на тороидальные пропеллеры. В их патенте утверждается, что изобретение более эффективно, чем традиционные пропеллеры, и менее шумно.

По совпадению, в 2012 году американская инжиниринговая компания Sharrow Marine также разработала тороидальный гребной винт для лодок; они продемонстрировали, что он более эффективен и тише, чем традиционные морские гребные винты.

Причина, по которой тороидальные пропеллеры могут быть тише, заключается в их сложной форме: она сводит к минимуму силу вихря (спирального движения воздуха, воды или другой жидкости), который возникает естественным образом. над кончиками лопастей гребного винта.

Это происходит потому, что под лезвием находится область высокого давления, а над ним — область низкого давления. Когда воздух под высоким давлением из-под лопасти движется к области низкого давления над ней, он движется по спирали – вихрю.

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 на законцовках крыльев, которые могут свести это к минимуму.

Использование структур с замкнутым контуром, например, в тороидальном гребном винте, — один из способов уменьшения вихрей на законцовках.

Несмотря на то, что основная форма гребного винта осталась прежней с момента его изобретения, было предложено множество конструкций лопастей гребного винта. Чтобы проверить это, инженерам необходимо провести исследование компромиссных решений. Некоторые из этих подходов были опробованы с целью сделать лопасти вертолетов и дроны более эффективными и менее шумными.

Нет волшебного пропеллера

Важно понимать, что геометрия пропеллера должна быть оптимизирована для конкретного «рабочего диапазона». Это означает свойства 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 пропеллера, которая позволит достичь низкого уровня шума и высокой эффективности для всех условий эксплуатации и масштабов. Тороидальные гребные винты не являются исключением: судя по скудным результатам, доступным на данный момент, их преимущества еще не полностью оценены.

Сравнение хорошо спроектированного тороидального гребного винта с плохо спроектированным традиционным гребным винтом покажет значительное улучшение, но это не совсем корректное сравнение.

Хорошо спроектированные тороидальные гребные винты могут иметь преимущества в определенных условиях эксплуатации, например, в плотных жидкостях или в определенном диапазоне скоростей. Однако остается вопрос, чем тороидальный гребной винт отличается от  хорошо спроектированного традиционного гребного винта для тех же условий.

Это непростая задача, поскольку улучшения всегда связаны с эталоном, а это, возможно, не самый эффективный вариант для начала.

Другой аспект честного сравнения тороидальных гребных винтов, который, похоже, не был опубликован, — это сравнение разных гребных винтов с одинаковой  силой тяги. Только тогда вы сможете увидеть истинные преимущества в отношении снижения шума и энергии, необходимой для вращения пропеллера.

Домашние эксперименты не репрезентативны

Объявление MIT в начале этого года о том, что тороидальные пропеллеры выиграли одну из наград MIT Lincoln Laboratory 2022 R&D 100 Awards, вызвало значительный ажиотаж. Проводились широкомасштабные эксперименты с тороидальными пропеллерами, напечатанными на 3D-принтере, но не все из них дали положительные результаты.

Это может быть связано с неоптимизированной геометрией и плохой научной строгостью со стороны широкой публики, проводящей некоторые из этих экспериментов. Это дает научному сообществу возможность провести исследование — по-настоящему оценить и оптимизировать тороидальные и традиционные гребные винты для повышения их производительности.

Ранее проводились исследования по оптимизации, в некоторых из которых даже использовались методы машинного обучения для определения подходящей геометрии. Инженеры также пытаются сделать пропеллеры менее раздражающими, учитывая, как люди воспринимают звук.