Inspirisani ptičjim perjem, inženjeri sa Prinstona su otkrili da dodavanje redova zakrilaca na krila aviona na daljinsko upravljanje poboljšava performanse leta i pomaže u sprečavanju zastoja, stanje koje može da ugrozi sposobnost aviona da ostane u vazduhu.
„Ovi zakrilci mogu da pomognu avionu da izbegne zastoj i olakšaju vraćanje kontrole kada dođe do zastoja“, rekla je Ejmi Visa, docentka mašinstva i vazduhoplovstva i glavni istraživač studije, objavljene u Zborniku Nacionalne akademije nauke .
Zaklopci oponašaju grupu perja, koja se nazivaju prikriveno perje, koje se otvara kada ptice izvode određene vazdušne manevre, kao što su sletanje ili letenje u naletu. Biolozi su primetili kada i kako se ovo perje razvija, ali nijedna studija nije kvantifikovala aerodinamičku ulogu skrivenog perja tokom leta ptica.
Inženjerske studije su istraživale skriveno inspirisane zakrilce za poboljšanje performansi projektovanih krila, ali su uglavnom zanemarile da ptice imaju više redova skrivenog perja. Tim iz Prinstona je unapredio tehnologiju pokazujući kako skupovi klapni rade zajedno i istražujući složenu fiziku koja upravlja interakcijom.
Girguis Sedki, postdoktorski istraživač i vodeći autor rada, nazvao je tehniku „jednostavnim i isplativim načinom za drastično poboljšanje performansi leta bez dodatnih zahteva za snagom“.
Tajne klapne se otvaraju ili podižu kao odgovor na promene u protoku vazduha, ne zahtevajući spoljne kontrolne mehanizme. Oni nude jeftin i lagan metod za povećanje performansi leta bez složenih mašina. „Oni su u suštini samo fleksibilni zakrilci koji, kada su pravilno dizajnirani i postavljeni, mogu u velikoj meri poboljšati performanse i stabilnost aviona“, rekao je Visa.
Kapljičasta forma krila tera vazduh da brzo teče preko njegovog vrha, stvarajući oblast niskog pritiska koja vuče avion nagore. Istovremeno, vazduh gura donji deo krila, dodajući pritisak nagore. Dizajneri kombinaciju ovog povlačenja i guranja nazivaju „podizanjem“. Promene u uslovima leta ili pad brzine aviona mogu dovesti do zastoja i brzog smanjenja uzgona.
Visin tim je osmislio seriju eksperimenata u aerotunelu u Forestal kampusu u Prinstonu kako bi shvatio kako bi zakrilci koji oponašaju perje uticali na performanse leta, posebno u blizini zastoja, što se obično dešava kada je avion pod strmim uglom, kada je primećeno da se prikriveno perje razvija .
Tunel je omogućio timu da ispita način na koji različiti rasporedi zakrilaca utiču na varijable kao što su vazdušni pritisak oko krila, brzina vetra preko krila i vrtlozi koji utiču na performanse.
Tim je pričvrstio krilo inspirisano skrivenim krilima na 3D štampani model krila aviona i montirao ga u aerotunel, metalnu napravu od 30 stopa koja simulira i meri protok vazduha. „Eksperimenti u aerotunelu daju nam zaista precizna merenja kako vazduh interaguje sa krilom i zakrilcima, i možemo videti šta se zapravo dešava u smislu fizike“, rekao je Sedki.
Aerotunel je opremljen senzorima koji očitavaju sile koje krilo oseća, kao i laserom i kamerom velike brzine koje precizno mere kako se vazduh kreće oko krila.
Studija je otkrila fiziku kojom su zakrilci poboljšali podizanje i identifikovala dva načina na koja zakrilci kontrolišu kretanje vazduha oko krila. Jedan od ovih kontrolnih mehanizama nije ranije identifikovan.
Istraživači su otkrili novi mehanizam, nazvan interakcija smičnog sloja, kada su testirali efekat jednog zakrilca blizu prednjeg dela krila. Otkrili su da je drugi mehanizam efikasan samo kada je preklop na zadnjem delu krila.
Istraživači su testirali konfiguracije sa jednim preklopom i sa više preklopa u rasponu od dva reda do pet redova. Otkrili su da je konfiguracija sa pet redova poboljšala podizanje za 45%, smanjila otpor za 30% i poboljšala ukupnu stabilnost krila.
„Otkriće ovog novog mehanizma otkrilo je tajnu zašto ptice imaju ovo perje blizu prednjeg dela krila i kako možemo da koristimo ove zakrilce za avione“, rekao je Visa. „Pogotovo zato što smo otkrili da što više zakrilaca dodate na prednji deo krila, to je veća korist od performansi.
Prateći rezultate eksperimenata u aerotunelu, tim se preselio van laboratorije i na teren da testira skriveno inspirisane zakrilce na skaliranom modelu aviona. Kampus Forestal u Prinstonu je nekada bio aerodrom i još uvek ima operativni heliodrom.
Dakle, istraživači su se udružili sa Natanijelom Sajmonom, diplomiranim studentom mašinstva i vazduhoplovstva koji istražuje let dronom, i demonstrirali tehnologiju u stvarnim uslovima opremanjem radio-kontrolisanog (RC) aviona sa skrivenim zakrilcima.
Istraživači su radili sa članovima kluba modela aviona Somerset RC kako bi odabrali model aviona. Istraživači su zatim modifikovali telo aviona kako bi ga opremili kompjuterom za letenje, a Sajmon je koristio svoje iskustvo pilotiranja dronova da bi njime upravljao. Programirali su kompjuter za let da autonomno i više puta zaustavlja avion.
Sajmon je rekao da je bilo neverovatno videti kako se zakrilci otvaraju u letu i videti da su pomogli u odlaganju i smanjenju intenziteta zastoja, baš kao što su učinili u aerotunelu. „Lepo je moći da sarađujemo u zajedničkom prostoru u kampusu Forestal i videti koliko oblasti istraživanja je dotakao ovaj projekat“, rekao je on.
Sedki je rekao da pored poboljšanja leta, njihova otkrića mogu biti proširena na druge aplikacije gde bi modifikacija okolne tečnosti bila od koristi za performanse.
„Ono što smo otkrili o tome kako pokrivači menjaju protok vazduha oko krila može se primeniti na druge tečnosti i druga tela, čineći ih primenljivim na automobile, podvodna vozila, pa čak i na vetroturbine“, rekao je on.
Visa je rekla da bi ova studija mogla otvoriti vrata saradnji sa biolozima kako bi saznali više o ulozi skrivenog perja u letu ptica i da će rezultati ove studije pomoći u formiranju novih hipoteza koje se mogu testirati na pticama.
„To je moć bioinspirisanog dizajna“, rekla je ona. „Mogućnost prenošenja stvari sa biologije na inženjering da bismo poboljšali naše mehaničke sisteme, ali i korišćenje naših inženjerskih alata da odgovorimo na pitanja o biologiji.“
