آیا ملخ‌های حلقوی آینده ساخت پهپادها را متحول می‌کنند؟

به گزارش گروه علم و آموزش هیچ یک _دکتر عبدالغنی محمد استاد مهندسی هوافضا در دانشگاه سلطنتی فناوری ملبورن در استرالیا در گزارشی در تارنمای کانورسیشن نوشت: در حالی که مهندسان مطالب بیشتری در مورد آیرودینامیک می آموزند و آزمایش های جدیدی در این زمینه انجام می دهند، ملخ ها به اشکال پیچیده تری تکامل یافته‌اند. ملخ ها دارای تیغه های متعدد، زوایای پس گرایی بالا، تجهیزات نوک تیغه و سایر ویژگی ها برای بهینه سازی عملکرد سامانه در شرایط مختلف هستند.

در این میان یک پیشرفت جدید در فناوری پیشرانه، ملخ های “حلقه ای” هستند. این دستگاه ها حلقه ای شکل هستند و تیغه ها به دور یکدیگر حلقه می زنند. ملخ های حلقوی در مقالات و ویدئوهایی تبلیغ شده اند، اما این ابزار واقعاً چقدر تحول آفرین هستند؟

اصلاح شکل

در سال ۲۰۱۷، محققان دانشگاه ام آی تی حق اختراع پروانه های حلقوی را ثبت کردند که در آن ادعا شده است این اختراع کارآمدتر از ملخ های سنتی است و سر و صدای کمتری دارد.

در سال ۲۰۱۲، شرکت مهندسی Sharrow Marine آمریکا نیز یک پروانه حلقوی برای قایق ها تولید کرد و نشان داد کارآمدتر و کم صداتر از پروانه های دریایی سنتی است.

دلیل اینکه ملخ‌های حلقوی ممکن است کم صداتر باشند، به خاطر شکل پیچیده آنهاست. این ملخ ها قدرت گرداب (حرکت مارپیچی هوا، آب یا مایعات دیگر) را که به طور طبیعی روی نوک پروانه اتفاق می‌افتد، به حداقل می‌رساند.

این امربه این دلیل وجود یک ناحیه پرفشار زیر تیغه و ناحیه کم فشار روی آن است. حرکت هوای پرفشار از زیر تیغه به سمت ناحیه کم فشار بالای آن، به صورت مارپیچی یک گرداب ایجاد می کند.

این پدیده منحصر به پره های پروانه که اساساً بال های چرخان هستند، نیست. بال هواپیما نیز این پدیده را تجربه می کند. مهندسان تحقیقات زیادی روی تجهیزات نوک بال هواپیما انجام داده اند که می تواند این پدیده را به حداقل برسانند.

استفاده از ساختار حلقه بسته – مانند پروانه حلقوی – یکی از راه های کاهش گرداب‌های نوک بال است.

گردباد نوک بال یا تاوه نوک بال یک حلقه گِرد همانند گردباد است که پشت بال هواپیماها هنگام نزدیک شدن به زمین ایجاد می‌شود. این حلقه زمانی ایجاد می‌شود که نیروی برآر فراهم شده باشد.

اگرچه شکل اولیه پروانه از زمان اختراع آن تغییر نکرده، طرح های بسیاری از تیغه پروانه ارائه شده است. مهندسان برای آزمودن این موارد، باید مطالعاتی انجام دهند. برخی از این طرح ها، برای افزایش کارآمدی و کاهس سروصدای ملخ بالگردها و پهپادها آزمایش شده است.

پروانه جادویی در کار نیست

درک این نکته مهم است که هندسه پروانه باید برای یک فضای عملیاتی خاص بهینه شود. این به معنی ویژگی های سیال یا هوایی است که پروانه در آن کار می کند. خارج از آن شرایط، پروانه عملکرد ضعیفی دارد.

تاکنون هیچکس به هندسه پروانه جادویی دارای کارایی بالا و سروصدای کم برای تمام شرایط و مقیاس های عملیاتی دست نیافته است. پروانه های حلقوی نیز از این قاعده مستثنی نیستند مزایای آنها در نتایج پراکنده موجود، هنوز به طور کامل مشخص نشده است.

مقایسه یک پروانه حلقوی با طراحی خوب با یک ملخ سنتی با طراحی ضعیف، پیشرفت قابل توجهی را نشان می دهد، اما این مقایسه منصفانه ای نیست.

ملخ های حلقوی که به خوبی طراحی شده اند ممکن است در شرایط عملیاتی خاص، مانند سیالات متراکم یا محدوده سرعت خاص، مزایایی داشته باشند. با این حال، این سوال همچنان مطرح است که چگونه یک ملخ حلقوی با یک ملخ سنتی با طراحی خوب در شرایط یکسان مقایسه می شود.

این یک چالش است، زیرا اصلاحات همیشه نسبت به نمونه معیار انجام می شود که آن طرح معیار ممکن است کارآمدترین طراحی برای شروع کار نباشند.

یکی دیگر از جنبه های مقایسه منصفانه که به نظر نمی رسد برای پروانه های حلقوی منتشر شده باشد، مقایسه ملخ های مختلف در یک نیروی رانش است. تنها در این صورت می توانید مزایای واقعی کاهش سروصدا و انرژی مورد نیاز برای چرخش پروانه را مشاهده کنید.

آزمایش های خانگی

دانشگاه ام آی تی اوایل سال جاری میلادی از برنده شدن نوآوری آنها در یکی از جوایز تحقیق و توسعه آزمایشگاه لینکلن ۲۰۲۲ این دانشگاه خبر داد که هیجان زیادی ایجاد کرد. آزمایش‌های گسترده‌ای روی پروانه‌های حلقوی چاپ سه بعدی انجام شد، اما همه آنها نتایج مثبتی را به همراه نداشت.

این نتایج ممکن است به دلیل هندسه بهینه نشده و دقت علمی ضعیف باشد. این نتایج به جامعه علمی فرصتی تحقیقاتی می دهد تا ارزیابی واقعی و بهینه سازی از پروانه های حلقوی و سنتی داشته باشند.

مطالعات بهینه سازی قبلی انجام شده است که برخی از آنها حتی از تکنیک های یادگیری ماشینی برای شناسایی هندسه مناسب استفاده می کند. مهندسان همچنین با در نظر گرفتن اینکه انسان چگونه صدا را درک می‌کنند، سعی می‌کنند پروانه‌هایی بسازند که کمتر مزاحم و آزاردهنده باشند.

پروانه های حلقوی نیز دارای معایب آشکاری هستند. یکی از اصلی ترین معیاب آنها مشکل هندسه پیچیده آنها است که تولید انبوه شان را با مشکل روبرو می کند و هزینه های تولید را بالا می برد. این ساختار پیچیده همچنین به مراقبت ویژه برای جلوگیری از لرزش ناخواسته نیاز دارد که مسئله مهمی هنگام چرخش پروانه با سرعت بالا است. این مشکل هزینه های تولید را می افزاید.

هنگامی که صحبت از استفاده از ملخ های حلقوی برای پهپادها می شود، وزن سنگین تر آنها تأثیراتی بر واکنش و ثبات پهپاد خواهد داشت. این موضوع هنگام فعالیت در شرایط هوای پرباد و متلاطم بسیار مهم است.

به طور کلی، پروانه های حلقوی یک پیشرفت هیجان انگیز جدید در طراحی پروانه حداقل در برخی موارد است. این سامانه ها در حالی که می‌توانند کم سروصداتر باشند، اما هنوز به‌طور کامل جایگزین پروانه های سنتی نشده اند. در واقع هیچ طرح ملخ واحدی وجود ندارد که برای همه شرایط مناسب باشد.