Po co tyle hałasu? Napęd oparty na toroidzie wokół śmigła
Przez bardzo długi czas o żadnych dużych zmianach w konstrukcji tych elementów nic nie słyszano. Samoloty napędzane śmigłami wciąż używają głównie skręconych, aerodynamicznych łopat o konstrukcji zbliżonej do bambusowych śmigiełek, jakimi zabawiały się chińskie dzieci 2400 lat temu. Wzrost wydajności w działaniu nowszych konstrukcji był zaskakująco niewielki w stosunku do drewnianych śmigieł, które bracia Wright opracowali w 1903 roku. W łodziach nadal używa się tych samych mniej więcej śrub napędowych, których pierwsze wersje wypróbowywano ok. 1700 roku.
Obręcz wokół śmigieł
Jednym z kluczowych problemów związanych ze śmigłami wielopłatowymi jest hałas, które robią podczas pracy. Ludzie są zwykle najbardziej wrażliwi na dźwięki o częstotliwości od około 100 Hz do 5 kHz. Ma to sens ewolucyjny, gdyż to właśnie w tej części skali akustycznej słyszymy samogłoski, które są kluczowe dla komunikacji werbalnej. Niestety śmigła samolotów również wydzielają dźwięki w tym zakresie.
Zespół konstruktorów z MIT, pracując nad cichszym samolotem, zasilanym strumieniem jonów, szukał sposobu na zmniejszenie poziomu tego hałasu, wejrzał w zamierzchłą przeszłość aeronautyki, znajdując tam wśród niekiedy dziewiętnastowiecznych jeszcze prototypów maszyn latających konstrukcje wykorzystujące pierścień, obręcz (toroid) otaczający element napędowy, śmigło lub coś innego o zbliżonym kształcie. Za pomocą drukarki 3D technicy wykonali szereg prototypów śmigieł obwiedzionych pierścieniami. Według ich relacji, podczas pracy, np. napędzając drony (1), brzmią przy tradycyjnych śmigłach jak szumiąca bryza, wydając znacznie mniej inwazyjny dźwięk.
Zdaniem twórców nowej konstrukcji, śmigła były cichsze, gdyż wiry generowane są w nich na całej długości śmigła, a nie tylko na samej jego końcówce. To ma sprawiać, że w efekcie rozpraszają się szybciej w atmosferze, nie rozchodząc się tak intensywnie jak wibracje z tradycyjnych śmigieł.
Toroidy na obwodach śmigieł mogą również działać jako osłony zwiększające bezpieczeństwo ruchomych elementów. Trzeba jednak przyznać, że dodają one do masy konstrukcji, co wpływa negatywnie na długość pracy baterii. Mogą także być podatne na podmuchy wiatru, co może grozić destabilizacją drona lub jeszcze większym zużyciem energii do zasilania systemu stabilizującego. Można wspomnieć o innych potencjalnych wadach takiej konstrukcji. Są to dość skomplikowane kształty, więc znacznie trudniejsze do wyprodukowania niż standardowe śmigła wykorzystujące tanie i łatwe formowanie wtryskowe. Najprawdopodobniej powinny być drukowane w 3D. Ale nawet jeśli podwoją lub potroją cenę śmigieł, są to te tańsze części drona i ogólny wpływ na koszty może nie być aż tak trudny do zniesienia.
Testy terenowe nie wskazywały jednak wybitnie negatywnych efektów ubocznych. Okazało się, że najlepiej działający projekt o symbolu B160 był nie tylko cichszy przy danym poziomie ciągu niż najlepsze standardowe śmigło, które testowano porównawczo, ale również wytwarzał więcej ciągu przy danym poziomie mocy. Oczywiście wyniki te wymagają dodatkowych testów i weryfikacji.
Na tym etapie nie jest jasne, czy projekty tego typu mogą zastąpić tradycyjne śmigła w samolotach o stałej konstrukcji, czy też w elektrycznych taksówkach powietrznych VTOL. Te ostatnie już teraz wydają się być znacznie cichsze od helikopterów, ale jeśli w końcu zaleją przestrzeń miejską szybkim, tanim i ekologicznym transportem lotniczym, to łączny poziom hałasu będzie się liczył.
Nie tylko ciszej, ale również wydajniej
Aerodynamika i hydrodynamika są ze sobą ściśle powiązane. Jak się okazuje, istnieje już produkt bliski komercjalizacji w dziedzinie pojazdów pływających, który przyjmuje bardzo podobne podejście do konstrukcji śruby napędowej. Firma Sharrow Marine uzyskała, jak podaje, znakomite wyniki, jeśli chodzi nowe typy śrub do łodzi, które wykorzystują pętle toroidalne zamiast standardowych łopatek.
Konstrukcje te nie tworzą wirów krawędziowych - głównego źródła strat energii i zaskakująco dużego składnika ogólnego hałasu silników jednostek pływających. Zysk w sprawności jest znaczący w wodzie przy średnich obrotach, wypełniając wyraźną lukę w krzywej przyspieszenia łodzi i oszczędzając ogromne ilości energii. Znacznie zmniejszając ilość cieczy, która "ześlizguje się" z powierzchni śruby zamiast być przez nią efektywnie wypychana, toroidalne śruby zasysają większe ilości wody i przesuwają łódź o większy dystans w przeliczeniu na jeden obrót. Regularnie podwajają prędkość, jaką łódź może osiągnąć przy niższych i średnich obrotach, radykalnie poszerzając efektywny zakres obrotów silnika. Zmniejszają też zużycie paliwa około 20 proc. To bardzo dużo, biorąc pod uwagę ogromne zapotrzebowanie na energię w łodziach napędzanych śrubami i skalę tego przemysłu.
Firma Sharrow twierdzi, że dodatkowym pozytywnym efektem jest znaczne zmniejszenie tendencji łodzi do przechylania się do tyłu podczas przyspieszania. Zamiast tego, cała łódź unosi się z wody. Ponadto następuje znaczna redukcja hałasu. Firma twierdzi, że jej śrubę można zamontować na każdym silniku zaburtowym, a następnie mknąć z prędkością 48 km/h na tyle cicho, że można prowadzić rozmowę na pokładzie bez podnoszenia głosu.
Sharrow sprzedaje już swoje śruby nowego typu. Pasują do szerokiej gamy popularnych silników zaburtowych większości głównych producentów. Haczyk musi być, a w tym przypadku jest nim cena, ok. dziesięciokrotnie wyższa niż tradycyjnych konstrukcji. Jednak, jeśli ktoś intensywnie użytkuje łódź, koszt ten powinien zwrócić się mu w znacznie mniejszym zużyciu paliwa.
Mirosław Usidus
