Плазменное управление воздушным потоком активно торит себе дорогу не только в авиацию, но и в ветроэнергетику

Когда СССР растворился в собственной агрессивной культурной среде, на поверхность всплыли не только сверхэффективные образцы химического оружия и масса других интересных проектов, но и советские эксперименты по снижению сопротивления летательных аппаратов при помощи создания на части их поверхности слоя плазмы. По ряду причин не будем останавливаться на судьбе таких исследований в нашей стране, сразу же перейдём к окружающему миру.

К концу 1990-х на Западе был достигнут серьёзный успех в этом направлении — созданы относительно эффективные средства генерирования плазмы с малым весом и приличной мощностью. По сути, они сводились к паре электродов, проведённых к кромке крыла и разделённых тонким диэлектрическим слоем. Чтобы включить плазменный режим обтекания, к электродам подавался ток высокого напряжения, и между ними возникала плазма.

Зачем это нужно? Сегодня, после отказа от «Конкордов», гражданская авиация продолжает оставаться дозвуковой и летает на скоростях немецких реактивных самолётов начала 1940-х. Между тем нельзя сказать, что за 70 прошедших лет прогресса в авиации не было вовсе. Но пока прорыва как-то не видно, хотя некоторые принципиально новые подходы нам его обещают — пусть и для сверхзвука.

Вверху: на крыле видны верхние электроды плазмогенерирующих заменителей элеронов и рулей БПЛА проекта Plasmaero. Схема показывает преимущества плазменного подавления турбулентности; внизу вы видите само устройство. (Илл. Plasmaero.)

А вот с гиперзвуком сложнее: при имеющихся подходах полёты на гиперзвуке по стоимости будут близки к космическим. Да и налаженных, удачных летательных аппаратов такого рода пока нет даже у военных. Отсюда и идея во время полёта на сверхзвуке создать на крыле поток плазмы. При этом набегающий воздух, попадая в область электрического разряда, превращается в ионизированный газ, которым можно управлять под действием магнитного поля, резко снижая сопротивление воздуха. По расчётам ряда западных исследователей, для скоростей порядка пяти звуковых это уменьшит сопротивление до 90%, а для скоростей нынешних дозвуковых реактивных авиалайнеров — не менее 10%.

Беркант Гёксель (Berkant Goeksel) вместе с коллегами из Берлинского технического университета (Германия) работает в том же направлении. Экспериментируя с эффектом плазменного слоя на передней кромке крыла, он создал весьма убедительный видеоматериал, демонстрирующий преимущества использования плазмы на некоторых поверхностях летательных аппаратов. В первой части видео предельно эффективное обтекание крыла в небольшой аэродинамической трубе столь сильно, что поток воздуха гасит пламя, которое к этом крылу подносят. Во второй части крыло нормального облика постепенно «задирают» вверх, наращивая угол атаки. В обычной ситуации у крыла рано или поздно наступает резкая потеря подъёмной силы. Однако активация плазмы ликвидирует эту потерю, и крыло снова начинает выдавать подъёмную силу при чрезвычайно большом для его профиля угле атаки.

Вторая часть видео очень важна: сейчас элероны и рули при переходе за звуковой барьер испытывают колоссальное нарастающее сопротивление, а гидросистемы — чудовищно взрастающие нагрузки. Это одна из причин сравнительно низкой манёвренности самолётов после преодоления звукового барьера и одна из главных проблем полётов на сверхзвуке вообще. Однако если вместо механических средств использовать искусственный плазменный разряд, то сложность сверхзвуковых полётов в этом смысле значительно снизится.

Сегодня проблема смены механических средств регулирования обтекания плоскостей на плазменные актуальна не только для крыльев в авиации, но и для лопастей ветряков в альтернативной энергетике. Ветряки с горизонтальной осью вращения обладают чрезвычайно длинными лопастями (более 100 м), размер которых в ближайшие годы, вероятно, значительно вырастет. Чтобы ветер нормально обтекал лопасти, без срыва потока и возникновения турбулентности, снижающей КПД, некоторые ветряки при помощи тяжёлых механических актуаторов автоматически меняют угол наклона лопастей. При этом конструкция лопасти, естественно, дорожает, а идеального обтекания всё равно нет, ведь на разных участках этих махин ветер имеет разную скорость. Скажем, близко к земле нижняя часть лопастей обдувается куда слабее, чем верхняя, находящаяся на 210 м.

А это уже отработка плазменного подавления турбулентности для лопастей ветряков. Внизу виден внешний электрод экспериментального плазменного актуатора. (Иллюстрация Samrt Blade.)

Именно поэтому, по словам Георгиоса Пехливаноглу (Georgios Pechlivanoglou), коллеги г-на Гёкселя и технического директора компании Smart Blade (Германия), контроль обтекания лопастей воздухом при помощи плазмы выглядит намного более перспективным. Вместо того чтобы изменять угол для лопасти длиной в одну восьмую километра механически, куда проще расположить не её поверхности ряд электродов, контролирующих обтекание посредством создания плазменных разрядов. Похожим делом занимается Томас Корк (Thomas Corke) из Университета Нотр-Дам (США). В 2013 году его группа намеревается провести полевые эксперименты с плазменным контролем обтекания. «У нас есть две работающие ветряные турбины, и одна получит плазменные средства управления обтеканием, — рассказывает исследователь. — Вся электроника уже установлена». По оценкам его группы, такие турбины смогут давать на 15% больше энергии при намного меньшей цене, чем при механическом регулировании угла расположения лопасти. Дело в том, что электроды плазменных контроллеров могут быть настолько тонкими, что их можно наносить на лопасти обычным наклеиванием.

Но есть и более амбициозные замыслы. Группа Plasmaero, к примеру, стремится решить чуть ли не все вопросы маневрирования летальных аппаратов за счёт плазменных средств управления. В декабре 2012 года её изыскания увенчались полётом БПЛА нормальной схемы, вовсе не использовавшим элеронов и рулей! Таким образом, и управление креном, и вообще значительная часть маневрирования регулировались исключительно плазмой. И система оказалось весьма компактной и эффективной. «Устройства работали так, как ожидалось, — подчёркивает Дэниэл Каруана (Daniel Caruana), координатор Plasmaero. — И, да, этот БПЛА маневрировал с использованием одной только плазмы». Правда, голубое свечение на поверхности аппарата придавало ему несколько странный вид, но к необычной эстетике можно и привыкнуть.

Нет нужды останавливать на том, почему замена сверхсложной механизации (до половины стоимости крыльев лайнеров) и отказа от мощных гидросистем в пользу простенькой электроники и электродов выгодна нынешней авиации. Скажем лишь, что некоторые шаги в этом направлении уже делаются. Правда, не гражданскими самолётостроителями, а менее консервативными военными: так, в США разрабатывается система плазменного контроля обтекания конвертоплана V-22 Osprey, столь любимого голливудскими киношниками. Напомним: стартуя, как вертолёт, почти с любого пятачка, в полёте он меняет расположение винтов (поворотом на 90°) и способен достигать скоростей до 463 км/ч, при значительно меньшем (чем у вертолётов) расходе топлива. Увы, все эти таланты достались ему не бесплатно: избежать турбулентности в момент перехода с вертолётного режима на полёт по-самолётному помогают многочисленные микростабилизаторы. Проблема в том, что при росте скорости при дальнейшем разгоне в самолётном режиме они создают огромное сопротивление, не присущее нормальным самолётам. Отсюда и малая, в сравнении с транспортными самолётами, скорость V-22 при большем, разумеется, расходе топлива.

Так вот, согласно экспериментам Чуань Хэ (Chuan He) из Университета Нотр-Дам, использование для подавления турбулентности электродов, генерирующих плазму, снижает сопротивление на 40% в сравнении с микростабилизаторами, применяемыми конвертопланом сегодня.

Как вы уже поняли, исследование, направленное на замену существующей системы подавления турбулентности у V-22 на плазменную, профинансировано ВМС США.

Но и здесь дело пока не продвинулось дальше успешных опытов с беспилотниками. Скорее всего, плазменное управление обтеканием вначале появится на ветряках, где нет проблемы обеспечения безопасности полётов, а также на БПЛА, где эксперименты не так опасны. И лишь затем — на тех ЛА военного назначения, на которых традиционные средства механизации крыла и подавления турбулентности слишком уж очевидно не справляются со своими задачами. В общем, самолётов со светящимися крыльями в ближайшее время мы не увидим. Но будущее, похоже, именно за ними.

Подготовлено по материалам NewScientist.