Это явление знакомо каждому авиапассажиру. «Наш самолет входит в зону турбулентности», — объявляет командир корабля, и авиалайнер начинает трястись, нырять и болтаться из стороны в сторону под действием хаотичных завихрений окружающего воздуха.
— Мы вовсе не пытаемся устранить турбулентность как таковую, да это и невозможно, — объяснил «Известиям» руководитель проекта, доктор физико-математических наук, профессор СПбГУ Олег Граничин. — Мы ставим перед собой другую задачу: скомпенсировать разницу давлений в разных зонах крыла так, чтобы самолет сохранял стабильное положение в зоне турбулентности.
Для этого ученые предложили покрывать поверхность крыла матрицей из активных ячеек, каждая из которых снабжена датчиком давления, микрокомпьютером и пластиной-крылышком — «пером», — меняющим свое пространственное положение под действием электропривода. Когда возникает турбулентность, перья приходят в движение и, меняя свой наклон относительно крыла, компенсируют возникающую неоднородность давления воздуха. В результате самолет продолжает движение так, будто турбулентность отсутствует вовсе: оперение крыла «разруливает» все неоднородности потока.
Проблема, однако, в том, что точный расчет правильного положения для каждого из сотен подобных перышек — чрезвычайно сложная и ресурсоемкая задача.
— Для централизованного управления всеми ячейками не хватило бы быстродействия даже самого мощного современного компьютера, — рассказал «Известиям» разработчик математического решения проекта, постдок СПбГУ Константин Амелин. — Поэтому мы сразу пошли другим путем: оснастили индивидуальным микрокомпьютером каждую ячейку, построив так называемую распределенную систему управления — что-то наподобие блокчейна. Каждое такое отдельное вычислительное устройство принимает данные от собственного датчика давления, обменивается данными с микрокомпьютерами соседних ячеек, мгновенно просчитывает необходимое положение пера в пространстве и подает команду на электропривод.
Константин Амелин утверждает, что идея работает: эксперименты с метровым крылом, оснащенным сотней «перьев» и обдуваемым мощными вентиляторами, показывают возможность согласованной работы микрокомпьютеров и нахождения ими консенсусного решения для каждой единицы «оперения» крыла.
Ученые подали заявку на патентование своего изобретения и сейчас работают над созданием нового, более совершенного испытательного стенда. На нем будут ставить эксперименты с действующей моделью «пернатого» самолета, размах крыла которого составит уже несколько метров. Расширятся и возможности «перьев»: для лучшей компенсации локального давления они смогут вращаться в двух плоскостях, а не в одной, как сейчас.
Специалист по явлению турбулентности, заведующий кафедрой физической механики факультета аэрофизики и космических исследований Московского физико-технического института, академик РАН Эдуард Сон о работе петербургских коллег высказывается пока осторожно:
— Попытки применять для борьбы с турбулентностью активные актуаторы — устройства, воздействующие на поток, — предпринимаются давно, но пока не принесли большого успеха. Акустические актуаторы, плазменные — все они приемлемо работают только в довольно узком диапазоне скоростей, а дальше турбулентность возникает всё равно.
Впрочем, идею с «активными перьями» Эдуард Сон считает перспективной и сравнивает с теми способами борьбы с турбулентностью, которые работают в живой природе, — например, у рыб. У акул, касаток, дельфинов и других крупных морских животных при плавании с большой скоростью начинается вибрация поверхности кожи, которая предотвращает переход движения в турбулентный режим.
Совместная работа СПбГУ и ИПМаш ведется при поддержке Российского научного фонда.
