Пропеллеры предназначены для захвата текучей среды (обычно воздуха или воды) и создания вращательного движения, продвигающего эту среду. В определённом смысле они представляют собой развитие архимедова винта, который, вероятно, использовался в Древнем Египте тысячи лет до того, как был описан Архимедом в 234 году до н. э.

Тороидальные пропеллеры: более тихая и эффективная конструкция, способная снизить расход топлива до 20% при установке на судовые двигатели

Однако за долгое время в оборудовании, предназначенном для вращения, произошло мало революционных изменений. Винтовые самолёты по-прежнему используют пропеллеры с закрученными лопастями, близкие по конструкции к «бамбуковым стрекозам», которые любили китайские дети 2400 лет назад, а прирост эффективности по сравнению с деревянными пропеллерами, разработанными братьями Райт в аэродинамической трубе в 1903 году, минимален. Варианты судов, всё ещё использующих винтовые пропеллеры, восходят к XVIII веку.

И вот мы находим группы, которые заявляют, что продемонстрировали значительные преимущества в воздухе и в воде, используя пропеллеры существенно иной формы — а именно странные закрученные петли, которые, судя по всему, не только намного тише традиционных конструкций, но и эффективнее, особенно в океане.

Сверхтихий напечатанный на 3D-принтере тороидальный пропеллер MIT, установленный на коммерческий дрон для испытаний

Потенциальная революция в воздухе

Ключевая проблема пропеллеров мультироторных аппаратов — их раздражающий шум, который часто описывают как «писк», поскольку большая его часть лежит в том же частотном диапазоне, что и плач младенца. Человек наиболее чувствителен к звукам примерно от 100 Гц до 5 кГц. Именно в этом диапазоне мы слышим ключевые гласные речевого общения. Но шум станет ключевой проблемой, если мультироторные аппараты должны реализовать свой потенциал и наполнить наше небо быстрыми, экономичными и экологичными службами воздушной доставки.

«Как известно, пропеллеры очень шумные, — говорит доктор Томас Себастьян, старший сотрудник группы инженерных расчётов конструкций и тепловых потоков Лаборатории Линкольна. — Мы можем посмотреть на крыло и увидеть, как оно работает. В начале XX века и во время Второй мировой войны, когда люди придумывали идеи для самолётов, было несколько конструкций, по сути представлявших собой такие кольцевые крылья. Поэтому я задумался, как это будет выглядеть, если взять кольцевое крыло и превратить нечто подобное в пропеллер».

Себастьян продолжил: «Мы пришли к первоначальной концепции использования тороидальной формы крыла в надежде создать более тихий пропеллер. Мы взяли эту концепцию и создали серию итераций с помощью 3D-принтера».

Максимальное снижение шума происходит там, где это необходимо: в диапазоне частот 1-5 кГц

В ходе нескольких попыток команда действительно нашла конструкцию, которая не только снижала общий уровень шума при заданной тяге, но и уменьшала шум в диапазоне 1-5 кГц.

Фактически они звучали скорее как резкий порыв ветра, чем как пропеллер, издавая менее навязчивый звук. По словам команды, дрон с такими пропеллерами шумит примерно так же, как обычный дрон на вдвое большей дистанции.

Себастьян сказал: «Мы считаем, что ключ к более тихому пропеллеру — распределить вихрь, создаваемый пропеллером, по всей форме, а не только на конце лопасти. Это заставляет его гораздо быстрее рассеиваться в атмосфере. Поскольку вихрь не распространяется так далеко, вы реже его слышите».

Шум пропеллера можно уменьшить, разместив вокруг траектории пропеллера звукоизолирующие кольца, которые с точки зрения безопасности могут также выполнять роль защитных кожухов. Но они добавляют паразитную массу и сокращают время работы от аккумулятора, а на открытом воздухе могут подвергаться воздействию ветра, из-за чего дрону приходится работать интенсивнее, чтобы оставаться устойчивым.

Команда проанализировала эти странно выглядящие кольцевые стойки, чтобы понять, снизят ли они эффективность по тяге. Очевидно, нет: лучшая конструкция команды B160 при заданной тяге была не только тише лучшего стандартного пропеллера из протестированных, но и создавала большую тягу при заданной мощности — что примечательно, учитывая, что стандартным пропеллерам более ста лет, а развитие этих тороидальных конструкций находится на самом раннем этапе и ещё требует значительной оптимизации.

Хотя команда MIT не уделила много времени оптимизации этих странно выглядящих пропеллеров по эффективности, они создавали больше тяги, чем стандартные пропеллеры, при заданной мощности.

Что ещё важнее, тороидальная форма не только повышает структурную устойчивость, но и снижает вероятность порезов, защемления или блокировки пропеллером.

Из минусов: из-за довольно сложной формы их труднее изготовить, чем стандартные пропеллеры, получаемые дешёвым и простым литьём под давлением. Возможно, их придётся изготавливать методом 3D-печати. Но даже если они стоят в два-три раза дороже обычных пропеллеров, для дронов это недорогой компонент.

Неясно, подойдёт ли такая конструкция в большем масштабе для замены обычных пропеллеров на самолётах или электрических воздушных такси. Последние уже кажутся гораздо тише вертолётов, но если они в конечном счёте заполнят городское воздушное пространство быстрыми, экономичными и экологичными воздушными аппаратами, каждый лишний децибел шума будет особенно важен с точки зрения сопротивления общественности и регуляторов. По сути, вопрос в том, какие частоты займут в звуковом спектре эти более крупные пропеллеры и сместят ли кольцевые пропеллеры звук в более дружественном для человека направлении.

Команда подала патентную заявку на эту конструкцию, и хотя неясно, есть ли планы её коммерциализации, MIT, по-видимому, готов лицензировать её заинтересованным производителям.

Кольцевой пропеллер Sharrow для вторичного рынка для ряда подвесных лодочных моторов: дорого, но с исключительными преимуществами

Ещё большие преимущества в воде

Дроны и авиация — это одно, но аэродинамика и гидродинамика тесно связаны, и, как выяснилось, в морской отрасли уже есть почти серийный продукт, использующий очень похожий подход.

Компания Sharrow Marine получила впечатляющие результаты с лодочным пропеллером, в котором вместо стандартных лопастей используются кольца. После нескольких лет разработки компания протестировала свои пропеллеры против сотен стандартных, и различия невероятны. Пропеллеры Sharrow вообще не создают концевых вихрей — крупного источника потерь энергии и очень значительной составляющей общего шума подвесных двигателей.

На средних скоростях потока прирост эффективности абсурдно велик: он закрывает очевидную дыру в кривой разгона лодки и экономит много энергии

Тороидальные пропеллеры значительно сокращают объём жидкости, которая «соскальзывает» с боков пропеллера вместо того, чтобы отбрасываться назад, тем самым захватывая больше воды и продвигая лодку вперёд. Они часто удваивают скорость лодки на малых и средних скоростях, радикально расширяя эффективный скоростной диапазон мотора. Одновременно они снижают расход топлива примерно на 20% — а это очень много с учётом огромных энергозатрат винтовых судов и масштабов отрасли.

Sharrow утверждает, что они значительно снижают склонность лодки задирать нос при разгоне; вместо этого вся лодка поднимается из воды, сохраняя более высокий уровень характеристик. Самое главное, влияние на контроль шума тоже далеко идущее.

По сути, компания заявляет, что этот пропеллер, который можно установить практически на любой подвесной двигатель и затем тихо двигаться на скорости 30 миль/ч (48 км/ч), позволяет людям разговаривать на борту, не повышая голоса.

Sharrow уже продаёт свой тороидальный пропеллер, изготовленный на станке с ЧПУ и подходящий для различных распространённых подвесных двигателей большинства крупных производителей. Минус продукта — цена: обе модели стоят 4 999 долларов, тогда как обычный пропеллер может стоить чуть меньше 500 долларов. Но, опять же, это небольшая часть общей стоимости многих лодок, а учитывая их прожорливость по топливу, расходы могут окупиться в короткие сроки, сделав поездку более комфортной для находящихся на борту.