211service.com
Energiebesparende helikopterbladen
Helikopters kunnen ongelooflijke kunstvluchten uitvoeren, maar ze zijn ook luidruchtig, wankel en duur om te gebruiken. NASA-onderzoekers ontwikkelen helikopterbladen met een vormveranderend slim materiaal dat zou kunnen leiden tot een soepelere, stillere en zuinigere rit.
Slimme mesjes: NASA testte zijn nieuwe actuatoren in een windtunnel in het Ames Research Center met behulp van helikopterbladen op ware grootte (boven). De actuator (onderkant) bevat piëzo-elektrische materialen, die van vorm veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan een elektrisch veld. De draden in de rechterbovenhoek van de afbeelding zijn piëzo-elektrische stapels. Wanneer er spanning wordt toegepast, strekken ze een klein beetje uit, waardoor een mechanische beweging ontstaat die een flap op en neer beweegt. (De flap is het lange, dunne, gele gedeelte van het mes in de bovenste afbeelding.)
De bladen maken gebruik van piëzo-elektrische actuatoren - mechanische apparaten die een materiaal bevatten dat van vorm verandert wanneer het wordt blootgesteld aan een elektrisch veld. Deze vormverandering vervormt het rotorblad terwijl het draait, waardoor de aerodynamische prestaties van een helikopter worden verbeterd.
Vorig jaar heeft NASA, in samenwerking met ruimtevaartbedrijf Boeing , de Defense Advanced Research Projects Agency ( DARPA ), en het Amerikaanse leger, hebben het eerste rotorblad op ware grootte getest om de technologie te gebruiken in een windtunnel die vliegomstandigheden simuleert. Het systeem verminderde de trillingen aanzienlijk, bespaarde energie en zorgde ervoor dat de rotorbeweging nauwkeuriger kon worden gecontroleerd. In de toekomst zou het systeem ook het geluid kunnen verminderen. Het is nu klaar om getest te worden, hoewel een datum voor de eerste vlucht nog niet is vastgesteld.
Op dit moment proberen we alles te begrijpen en te waarderen wat we hebben bereikt in de volledige windtunnel, zegt William Warmbrodt, de projectleider van de Flight Vehicle Research and Technology Division bij NASA's Ames Onderzoekscentrum , in Californië.
Als een helikopterblad door de lucht gaat, laat het een kielzog achter, en als het blad erachter door dat kielzog gaat, ervaart het een periodieke trilling. Met mesbediening kun je een periodieke beweging in de bladflappen zetten met de juiste amplitude, fase en frequentie om die vibratie op te heffen, zegt Steven Hall , een professor in de luchtvaart en ruimtevaart aan het MIT en een adviseur van het NASA-project.
Er wordt al heel lang gesproken over het gebruik van slimme materialen in vliegtuigen, maar wat echt ontbrak, is de juiste soort actuator om het praktisch te maken, zegt Hall. Eerdere inspanningen, waarbij hydraulische aandrijvingen betrokken waren, bleken te zwaar en te traag om praktisch te zijn. Het is moeilijk om hydrauliek te doen in een roterend frame: je hebt genoeg kracht nodig om de klep af te buigen omdat de luchtbelasting erg hoog is, en je moet het met de vereiste frequentie doen, zegt Hall.
wind geblazen: Helikopterbladen op ware grootte uitgerust met de actuatoren werden getest in 's werelds grootste windtunnel, gelegen in het Ames Research Center van NASA in Californië. De windtunnel simuleert vliegomstandigheden die equivalent zijn aan reizen met 155 knopen.
De nieuwe actuator zit in het stalen frame van een rotorblad in de buurt van zowel de punt van het blad, waar de aerodynamische krachten het grootst zijn, als een flap op het achterste gedeelte dat op en neer beweegt terwijl het draait. Eindversterkers zenden een elektrisch veld uit naar het piëzo-elektrische materiaal in de actuatoren, en dat materiaal reageert door van lengte te veranderen en een zeer kleine hoeveelheid uit te zetten (ongeveer 10 tot 20 duizendsten van een inch). Dit beweegt een staaf loodrecht op de bladflap, die de flap duwt. Je maakt een kleine beweging en versterkt deze voldoende om de flap een paar graden te verplaatsen, zegt Hall.
Maar beweging van de flap zorgt voor een dramatische aerodynamische verandering in het blad. De flap kan helpen bij het genereren van lift- of luchtsnelheid, en hoewel een vliegtuig alleen flappen kan gebruiken voor opstijgen en landen, kunnen dergelijke flappen op elk moment tijdens een helikoptervlucht worden gebruikt.
Wat echt belangrijk is, is dat de piëzo-elektrische materialen stijf zijn en snel van vorm kunnen veranderen. Dat maakt het een acceptabele actuator, zegt Hall. De slimme materialen maken het actuatorsysteem ook licht en compact. Bovendien hebben de NASA-onderzoekers het actuatorsysteem zo ontworpen dat het in de bladstructuur van bestaande helikopters past zonder het ontwerp van de rotorbladen aanzienlijk te wijzigen.
Slimme materialen houden een enorme belofte in voor een revolutie in de manier waarop we onze helikoptervliegtuigen ontwerpen, bouwen en bedienen, zegt Warmbrodt.
Het project kan verschillende spin-offs hebben: het Amerikaanse leger ontwikkelt een tweede rotor met behulp van elektromotoren en DARPA heeft zojuist een Mission Adaptive Rotor aangekondigd ( ZEE ) programma, dat gaat kijken naar een aantal technologieën, waaronder slimme materialen, om de rotorbladen van militaire helikopters te verbeteren.
Warmbrodt voegt toe: Het DARPA MAR-programma is de volgende stap in het kijken naar hoe we het ontwerp van helikopterbladen radicaal gaan veranderen om een nieuw prestatieniveau te bereiken.