Ученые Пермского Политеха определили лучшие параметры лопасти с изменяемой геометрией для снижения шума вертолета

Схема расчета угла закручивания прототипа композитной авиационной конструкции. Иллюстрация: пресс-служба ПНИПУ

Снижение вибраций и шума вертолета — это важная задача, направленная на повышение безопасности, комфорта, экономичности и экологичности вертолетных перевозок. Кроме того, эти негативные эффекты создают дискомфорт для людей, живущих вблизи аэропортов и вертолетных площадок, мешают отдыху, работе и даже влияют на здоровье: считается, что звук, который превышает 85 дБ, вреден, при этом вблизи вертолета он может достигать примерно 100-110 дБ. На таких высоких уровнях шума постепенно и незаметно повреждаются слуховые клетки. Человек может долго не осознавать проблему, пока она не станет заметной. Также постоянный высокий уровень шума негативно влияет на психологическое состояние, вызывает усталость и раздражительность.

Сегодня лопасти вертолетов делают в основном из композиционных материалов. Это позволяет снизить вес конструкции и при этом сохранить ее прочность и жесткость, а кроме того – интегрировать в конструкцию пьезоэлектрические актуаторы прямо в процессе изготовления. Пьезоактуаторы – это такие устройства, которые преобразуют электрический потенциал в деформацию. Они искривляются (растягиваются или сжимаются) и меняют форму лопасти – изгибают или скручивают ее. Таким образом, лопасть адаптируется к условиям полета, улучшаются летные характеристики.

Ученые Пермского Политеха рассчитали, какие параметры позволяют добиться максимального изменения формы лопасти, чтобы лучше гасить вибрацию и шум.

Исследование проходило в два этапа. На первом ученые смоделировали деталь на компьютере. Они рассмотрели два варианта строения лонжерона – продольного несущего элемента для усиления лопасти: один имел C-образное строение, другой – D-образное. Пьезоактуаторы в обоих случаях были размещены на поверхности детали. Другими словами, ученые создали цифровой двойник конструкции, а затем провели моделирование его работы при воздействии управляющих электрических сигналов и эксплуатационных нагрузок.

Второй этап заключался в экспериментальной апробации цифровой модели.

– Для того, чтобы проверить, насколько достоверны данные, полученные с помощью цифрового двойника, мы провели аналогичные лабораторные испытания на реальном композиционном материале. В качестве образца использовался углепластик (один из самых распространенных композиционных материалов), толщина которого была такой же, как у обшивки исследуемой вертолетной лопасти. В рамках лабораторных экспериментов модельный образец был жестко закреплен с одной стороны. В его центре размещен пьезоактуатор, на который с помощью высоковольтного усилителя и генератора сигналов подавалось разное электрическое напряжение – 200, 500 и 1000 В. При этом анализировалось его влияние на деформацию в углепластике. Угол закручивания измеряли высокоточными лазерными датчиками перемещения в трех местах – два по краям и один в центре, – рассказывает Екатерина Нуреева, аспирантка кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.

При сравнении данных, измеренных датчиками, с результатами, полученными на цифровом двойнике, выяснилось, что погрешность разработанной модели не превышает 8%. Это значит, что она обладает высокой точностью и ее можно использовать для дальнейших исследований.

– Результаты численных экспериментов с использованием цифрового двойника позволили определить рациональные параметры конструкции. Для того, чтобы снизить шум и вибрацию композитного несущего винта вертолета, необходимо предотвратить возникновение создаваемого лопастью турбулентного потока. Этот эффект достигается при угле закручивания 4^о, – поясняет Павел Писарев, доцент кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Исследование ученых Пермского Политеха позволит достичь большего изменения угла закручивания и, как следствие, улучшить аэродинамические характеристики вертолетов. Результаты лабораторных испытаний подтвердили высокую точность предложенной модели, что открывает новые возможности для дальнейших исследований и практического внедрения технологий, направленных на повышение комфорта и безопасности вертолетных перевозок.