Задкрилките вече не са необходими: самолетите ще могат да се управляват с плазма и невронни мрежи

Повдигащата сила на самолетното крило се дължи на разликата в наляганията. Когато потокът от нахлуващия въздух се сблъска с предния ръб на профила, той се разделя на две части. Долната повърхност на крилото е проектирана така, че въздухът под нея да изпитва съпротива: налягането там се повишава. Горната повърхност има изпъкнала форма, поради което въздушният поток над нея се ускорява, а статичното налягане спада. Разликата между високото налягане отдолу и ниското налягане отгоре изтласква крилото нагоре.

Докато самолетът лети в крейсерски режим, въздухът се движи плавно по обшивката. Но за набиране на височина, маневриране, излитане или кацане пилотите трябва да увеличават ъгъла на атака, тоест ъгълът на наклона на хордата на крилото спрямо идващия въздушен поток.

С нарастването на този ъгъл условията на движение на въздуха по горния ръб значително се усложняват. Потокът трябва да се движи от зоната с ниско налягане при предния ръб към зоната с по-високо налягане при задния ръб. В аеродинамиката това състояние се нарича неблагоприятен градиент на налягането. Въздухът тече в посока на повишеното съпротивление.

Граничният слой

Непосредствено до обшивката на крилото скоростта на въздушните частици спада до нула поради вискозитета и триенето с метала или композита. Този тънък, забавен слой с дебелина от части от mm до няколко cm се нарича граничен слой.

Тъй като кинетичната енергия на въздуха в граничния слой е малка, той не може да преодолее нарастващото противоналягане при големи ъгли на атака. Потокът спира, обръща се в обратна посока и се откъсва от повърхността на крилото. Зад точката на откъсване се образуват хаотични вихри, зоната на разрежение изчезва, подемната сила спада, а челното съпротивление рязко се увеличава. Настъпва срив.

Крилото от новия тип по време на полет, свободна интерпретация

Инженерите от Технологичния институт във Велор (Индия) изследваха метод, позволяващ да се предотврати срива и значително да се подобрят аеродинамичните характеристики на крилото без използване на подвижни механични елементи. Тяхната научна работа съчетава пасивна промяна на формата на профила, локална електрическа йонизация на въздуха и алгоритми за машинно обучение за мигновено изчисляване на потоците.

Геометричен издатък по долния ръб на крилото

Обикновено инженерите се стремят да направят повърхността на крилото максимално гладка. Всяка неравност води до триене и загуба на енергия. Изследователите обаче избраха за експериментите си асиметричния профил NACA4412 и внесоха рязка промяна в неговата геометрия, като създадоха отстъп, обърнат назад (в англоезичната литература, backward-facing step, или BFS).

Отстъпът е разположен не на горната, а на долната повърхност на крилото, по-близо до неговата задната страна. Дълбочината на отстъпа е фиксирана на ниво 2% от хордата на крилото (при хорда с дължина един метър дълбочината на отстъпа е точно два сантиметра). Дължината на площта зад отстъпа варира, като са тествани три варианта: 10%, 20% и 30% от общата дължина на профила.

Схема на експерименталния профил NACA4412: на горния ръб в носовата част са монтирани два плазмени актуатора (AC-DBD), а на долната повърхност, в близост до опашката, е изрязан BFS устък с дълбочина 2 cm и с различна дължина на площта (10%, 20% и 30% от дължината на крилото)

Физическият смисъл на тази промяна се състои в контролирането на точката на отделяне. При естественото обтичане на едно гладко крило точката на отделяне на потока постоянно се колебае в зависимост от скоростта и външните възмущения, създавайки нестабилни вибрации. Отстъпът принудително фиксира отделянето на строго определено място.

Ролята на вихрите

Когато въздухът, протичащ по долната повърхност на крилото, достигне края на стъпалото, той не може мигновено да повтори правия ъгъл и се срива от ръба. Веднага след отстъпа се образува затворена зона с понижено налягане, където въздухът бавно се върти.

Това локално вихрово образувание променя разпределението на налягането по цялата долна повърхност на крилото. Посоката на линиите на потока се измества надолу, което води до увеличаване на така наречената циркулация на скоростта по целия профил. Налягането под крилото се увеличава по-силно, отколкото при обикновен гладък профил.

Без плазма при ъгъл 16°: крилото губи обтекаемостта си, а отгоре се образува хаос от червени турбулентни вихри

Изчисленията показват, че използването само на един геометричен издатък без каквито и да било допълнителни системи води до осезаемо увеличение на подемната сила:

при дължина на отстъпа 10% от хордата подемната сила нараства с 29,9%; при дължина 20% от хордата – с 42,98%; при дължина 30% от хордата – с 37,29%.

Максимален резултат показва отстъпът със средна дължина (20% от хордата), тъй като при този размер вихровата зона зад отстъпа заема оптимална площ и не нарушава структурата на потока при задния ръб.

Но този метод поражда сериозен проблем. Поради разликата в наляганията пред и зад отстъпа възниква допълнителна възпираща сила – съпротивлението на формата. Вихрите, излизащи от зоната на отстъпа в околното пространство, карат крилото да оставя след себе си широка турбулентна следа.

В резултат на това челното съпротивление на профила се увеличава с 65,57% при отстъп от 10% от хордата и с 82,33% при отстъп от 20% от хордата. Пасивният отстъп позволява на крилото да носи по-голяма тежест, но същевременно рязко намалява общата аеродинамична ефективност, изразена като съотношение между подемна сила и сила на съпротивлението.

Електрохидродинамиката на плазмените актуатори

За да преодолеят увеличаването на челното аеродинамично съпротивление и едновременно с това да потиснат отделянето на потока от горния ръб на крилото, изследователите прилагат активен метод на управление, актуатори с диелектричен бариерен разряд с променлив ток (AC-DBD).

Моделиране на вихровите полета около крилото при критичен ъгъл на атака от 16° при действаща плазма. Синият цвят обозначава спокойно течение, а червеният – интензивни вихри. Вижда се, че разрядът задържа течението притиснато към горната обшивка, като предотвратява сриването във всички варианти на геометрията.

Актуаторът представлява тънка пластина, състояща се от два метални електрода и разделящ ги слой изолатор (диелектрик). Дебелината на диелектрика е 0,46 mm, а дебелината на електродите е 0,05 mm. Цялата конструкция се монтира в едно ниво с обшивката на крилото и не изпъква навън.

Един електрод с ширина 6 mm се намира на повърхността и влиза в контакт с нахлуващия въздух. Вторият електрод с ширина 10 mm е напълно скрит под слоя диелектрик във вътрешността на конструкцията на крилото.

Основните параметри на новата технология

Към електродите се подава синусоидално променливо напрежение с амплитуда 5,67 kV и честота 5 kHz. Разликата в потенциала между открития и скрития проводник създава електрическо поле с висока интензивност, което е над 30 kV/cm.

Под действието на това поле неутралните молекули на въздуха губят електрони. Възниква нискотемпературна неравновесна плазма, излъчваща слабо сияние.

В неравновесната плазма температурата на свободните електрони достига десетки хиляди градуса, но тежките частици, молекулите и йоните на кислорода и азота, остават практически студени. Поради това не настъпва термично разрушаване на обшивката.

Ускорени от силното електрическо поле, образуваните положителни и отрицателни йони се движат към скрития електрод. По пътя си те се сблъскват с неутралните молекули на нахлуващия въздух и им предават част от своята кинетична енергия чрез обикновени механични сблъсъци.

Движението на въздуха

Този процес се нарича електрохидродинамично ускорение. Въздухът над актуатора започва да се движи в строго зададена посока, образувайки плоска струя, прилепена към повърхността. Обемната сила, която развива един актуатор в този експеримент, достига стойност 1,21 × 105 N на m3.

Инженерите са монтирали два такива актуатора на горната повърхност на крилото на разстояние 4% и 6% от дължината на хордата от предния ръб. Това е именно зоната, където въздушният поток тъкмо започва да изпитва съпротивление от неблагоприятния наклон на налягането. Плазмената струя принудително впръсква допълнителен импулс в пристенния слой въздух.

След като придобива допълнителна скорост, граничният слой преодолява зоната с повишено налягане, не спира и продължава непрекъснато да обтича профила. Точката на отлив на горната страна на крилото се измества назад, по-близо до опашната част, а вихровата следа зад профила се стеснява.

Резултатите от съчетаването на геометрията и плазмата Разпределение на скоростите на въздуха около крилото при ъгъл на атака 14°: горният ред е изчислен с класическия числен метод на Навие и Стокс (CFD), а средният и долният ред са генерирани от невронните мрежи LSTM и GRU за части от секундата. Визуалното съвпадение потвърждава, че невронните мрежи безпогрешно възпроизвеждат сложната физика на вихрите

Изследователите моделираха поведението на крилото при ъгли на атака от 0 до 20 градуса при число на Рейнолдс 3,1 × 106 (този параметър характеризира съотношението между инерционните сили и силите на вискозитета и съответства на полет на малък самолет или тежък безпилотен летателен апарат със скорост около 175 km/h).

Изчисленията показаха взаимно усилване на двете технологии Поведение на потока при критични ъгли на атака. При ъгъл на атака 16 градуса базовото крило NACA4412 без модификации напълно губи подемна сила: въздухът се отделя от обшивката практически веднага зад предния ръб, а над крилото се образува непрекъсната зона на обратно течение. Добавянето само на един релеф на долната повърхност леко увеличава подема, но вихрите на горната страна остават огромни. При едновременното включване на плазмените актуатори обаче откъсването на потока спира. Струята плазма притиска потока обратно към крилото, възстановявайки нормалното обтекане. Абсолютен прираст на подемната сила. Сама по себе си плазмената система увеличава коефициента на подемна сила на чистото крило с 16,77% при ъгъл на атака 8° и с 47,16% при критични ъгли. Но в комбинация със системата BFS прирастът става значително по-голям. Конфигурацията с отстъп от 30% от хордата и работещи актуатори демонстрира рекордно увеличение на подемната сила, с 83,07% в сравнение с изходния профил. Възстановяване на аеродинамичните качества. Главният недостатък на отстъпа, повишеното челно съпротивление, бе неутрализиран. Тъй като плазмата на горната повърхност изглажда вихрите и прави следата от въздушния поток по-тясна, общото съпротивление на крилото намалява с до 11,13% в сравнение с крило, оборудвано само с отстъп. Техническите ограничения и практическата стойност

При оценката на перспективите за внедряване на описаната схема авторите посочват обективните ограничения на проведения числен експеримент:

Двуизмерност на изчисленията. Моделирането е извършено в двуизмерна постановка (плоско обтичане на сечение с безкраен размах). При реалния полет откъсването на потока при големи ъгли на атака е триизмерно. На крило с краен размах възникват крайни вихри, а откъсналият се граничен слой се измества не само назад, но и по дължината на крилото от корена към върховете. За пълно описание на тези ефекти са необходими пространствени изчисления с методите на големите вихри (LES) или директни експерименти в аеродинамична тръба. Енергиен баланс на плазмата. В изследването е използван математическият модел на Федор Шу (Shyy model), при който действието на плазмата се задава като приложена обемна механична сила, без пряко моделиране на електрическата верига. За да разберат реалната полза от решението, инженерите трябва да измерят електрическата мощност, консумирана от високоволтовите преобразуватели на напрежение. Ако генераторите и акумулаторите за захранване на разряда от 5,67 kV се окажат прекалено тежки, те ще неутрализират ползата от получената подемна сила. Възможностите на новата технология

Въпреки това изследването потвърждава жизнеспособността на концепцията за безкомпромисно аеродинамично крило. Традиционната механика (задкрилки, отклоняеми върхове) увеличава масата на конструкцията, изисква хидравлични задвижвания и редовна техническа поддръжка.

Неподвижната форма с BFS-степен, допълнена от твърдотелни плазмени актуатори, не съдържа триещи се детайли и е способна да променя параметрите на обтекането практически мигновено.

В съчетание с компактни рекурсивни невронни мрежи, работещи на бордовите процесори, тази технология създава основа за разработването на ново поколение високоенергийни вятърни турбини, способни автоматично да се адаптират към резките промени в посоката и скоростта на нахлуващия поток.