Прощай, турбулентность!

Турбулентность — внезапная сильная тряска и «ныряния» самолета — стала причиной нескольких крупных авиационных катастроф. Например, в 1966 году, пролетая над горой Фудзи в Японии, потерпел катастрофу Boeing 707. Турбулентность вблизи горы оказалось настолько сильной, что возникшие в результате перегрузки превысили прочность самолета. В 2001 году потерпел крушение самолет Airbus A300. Причиной стала турбулентность, возникшая из-за вихря, созданного другим самолетом, который летел в попутном направлении. 

В большинстве случаев турбулентность не приводит к крушению, но грозит пассажирам травмами и ушибами, особенно если они не пристегнуты. В 2017 году Boeing 777 компании «Аэрофлот» внезапно попал в зону турбулентности, в результате тряски за медицинской помощью обратились 27 человек.

Экипажи воздушных судов обычно борются с ней, снижая скорость. Физические причины турбулентности — столкновение воздушных потоков, которые вызывают вихревые потоки. Самолет может столкнуться с турбулентностью над горами, проходя вблизи грозы: грозовой фронт в этом случае служит для воздушных масс таким же препятствием, как и скалы. Одним из самых опасных видов турбулентности считается турбулентность ясного неба, так как она возникает внезапно и пилоты не успеют подготовиться. На сегодня борьба с турбулентностью остается важной научной проблемой.

Подражая птицам

«В природе нет ничего лишнего. И раз птицы летают в воздухе с перьями, а не без них, значит, это более выгодно с точки зрения аэродинамики», — отметил в беседе со «Стимулом» доктор физико-математических наук, профессор кафедры системного программирования Санкт-Петербургского государственного университета, Олег Граничин. Опираясь на этот факт, ученые начали поиск механических средств подражания птичьему оперению и разработали управляемые механизмы для крыльев летательных аппаратов — «перья», позволяющие подстроиться под ветер и компенсировать турбулентность.

В первом варианте разработки роль перьев выполняли управляемые механизмы с датчиками давления, которые могут приподниматься и поворачиваться с помощью миниатюрных электромоторчиков и компенсировать турбулентность. Для управления системой «перьев» не использовался центральный компьютер, сами устройства ученые связали в сеть, которая обеспечила им возможность подстраиваться друг под друга. Поверхность крыла разделили на квадраты, наклон плоскости каждого из них обеспечивали два моторчика. «Это работает так: каждое маленькое “перышко” подстраивается под соседние: если давление атмосферы на них чуть выше, оно себя чуть приподнимает, если ниже — чуть-чуть опускает, и получается так, что на всех элементах крыла происходят связанные процессы и мы подстраиваемся под любой поток ветра», — рассказал Олег Граничин. Эта разработка была выполнена при поддержке Российского научного фонда и запатентована в Роспатенте. Функциональность рабочего прототипа испытали на стендовом беспилотном летательном аппарате с размахом крыла в один метр.

«Крайне интересной и актуальной» назвал разработку доцент кафедры аэрокосмических комплексов Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения Михаил Тихомиров. По его словам, проблема турбулентности хотя и рассматривается в десятках тысяч научных статей, но на сегодняшний день не решена. «Мы готовы предложить разработчикам сотрудничество — принять участие в проекте, а также предложить наши испытательные стенды для предстоящих фаз испытаний опытного образца системы “перьев” для самолетов», — сказал он.

В настоящее время разработчики трудятся над четвертой итерацией разработки, работы финансируются грантом РНФ, выданным Институту проблем машиноведения РАН. У первого варианта при испытаниях были зафиксированы проблемы со временем срабатывания датчиков и весом конструкции. Вес крыла составлял около 2,5 кг, и этого оказалось слишком много, чтобы аппарат смог подняться в воздух. Поэтому техническую реализацию идеи подкорректировали — отказались от двигателей, которые поворачивали «перья» и пришли к другой модели. «Сейчас у нас просто меняется форма крыла, внешний вид разработки изменился, “перья” более плавно переходят друг в друга, заменены и материалы, используем специальную ткань, — комментирует Олег Граничин. — Идем методом проб и ошибок». Разработка, по его словам, позволяет переосмыслить и еще целый ряд научных идей.

«Математика и алгоритмы разработки проверены, и сейчас мы занимаемся тем, что меняем механику. Мы поменяли датчики, отошли от электроники в управлении “перьями” в сторону микроэлементов, которые толкают обшивку снизу, ведем поиск материалов обшивки крыла, которые чувствуют давление», — рассказал «Стимулу» о ходе научного поиска Константин Амелин, директор Центра математической робототехники и искусственного интеллекта СПбГУ. Если раньше каждый элемент крыла, разделенного на квадратики, управлялся двумя сервомеханизмами и мог менять свое положение в двух плоскостях, то сейчас они заменены на четыре маленьких толкающих элемента. Это позволило отказаться от отдельных квадратиков в пользу цельного крыла, без стыков, но обладающего подвижностью. «Перья птиц мы используем как идеологию нашей разработки. Мы управляем не всем крылом, а отдельными элементами крыла», — пояснил Константин Амелин.

Математика и практика

Один из вариантов новых материалов — графеновые пленки. Они хороши тем, что к поверхности такой пленки не нужно подключать датчики, так как она сама способна менять параметры при перемене натяжения. Такое решение позволит снизить вес крыла до 1 кг, и это уже вполне подойдет для испытаний технологии в воздухе. Вначале испытания разработки проведут в аэродинамической трубе, которая есть в СПбГУ, затем последуют летные испытания. Константин Амелин говорит, что это должно произойти примерно в течение ближайшего года.

Подвижное крыло может помочь беспилотным летательным аппаратам увеличить время полета при той же энерговооруженности. Но основная задача — использование инновационного крыла в гражданской авиации для снижения турбулентности и нагрузки на несущие конструкции самолетов. «Мы сможем не только сделать крыло адаптивным к ветровым нагрузкам, но и увеличить его надежность, потому что нагрузки на несущие конструкции самолета будут меньше», — пояснил Амелин.

Все разработки центра направлены на вывод смелых математических решений, которыми славится университет, на уровень создания прототипов технических устройств и разработки новых технологий, которые производители могут брать и масштабировать. Упор делается на робототехнику, применение различных алгоритмов управления, алгоритмов группового управления, человеко-машинного взаимодействия, возможностей искусственного интеллекта.

Среди имеющихся в работе проектов — перевозки груза беспилотниками, использование телеграм-ботов в управлении летательными аппаратами, разработка устройства для поиска потерявшихся в лесу людей с беспилотного летательного аппарата, оснащенного акустическим устройством, способным выделять из шумов человеческий крик, и многоуровневые обучающие проекты