Пропелери призначені для поглинання рідини (зазвичай повітря або води) та використання обертального руху для її переміщення. У певному сенсі вони є еволюцією архімедового гвинта, який, ймовірно, використовувався в Стародавньому Єгипті протягом тисячоліть, перш ніж його описав Архімед у 234 році до нашої ери.

Тороїдальні гвинти: тихіша та ефективніша конструкція, яка може зменшити витрату палива до 20% після модернізації суднових двигунів.

Однак, було мало революційних конструктивних змін у обладнанні, призначеному для тривалого обертання. Літаки з пропелерним приводом досі використовують гвинтові гвинти з крученими лопатями крила, подібні за конструкцією до бамбукових бабок, яких любили китайські діти 2400 років тому, з мінімальним підвищенням ефективності порівняно з дерев'яними гвинтами, розробленими братами Райт в аеродинамічній трубі в 1903 році. Варіанти кораблів, які досі використовують гвинтові гвинти, датуються 18 століттям.

В результаті ми знайшли групи, які стверджують, що продемонстрували значні переваги в повітрі та воді, використовуючи гвинти зовсім іншої форми – зокрема, дивні кручені петлі, які здаються не тільки набагато тихішими за традиційні конструкції, але й ефективнішими, особливо в океані.

Ультрабезшумний тороїдальний пропелер MIT, надрукований на 3D-принтері, встановлений на комерційному дроні для випробувань

Потенційно змінює правила гри в повітрі

Ключовою проблемою багатороторних пропелерів є їхній дратівливий шум, який часто описують як «скиглення», оскільки більша його частина знаходиться в тому ж діапазоні частот, що й плач дитини. Люди, як правило, найбільш чутливі до звуків від 100 Гц до 5 кГц. Саме тут ми чуємо ключові голосні вербального спілкування. Але шум буде ключовою проблемою, якщо багатороторні літаки мають реалізувати свій потенціал і наповнити наше небо швидкими, економічними та чистими повітряними послугами доставки.

«Як ми знаємо, пропелери дуже гучні», — сказав доктор Томас Себастьян, старший співробітник групи структурної та теплофлюїдної інженерії Лабораторії Лінкольна. «Ми можемо подивитися на крило та побачити, як воно працює. На початку 20-го століття та під час Другої світової війни, коли люди вигадували ідеї для літаків, існувало кілька конструкцій, які по суті були цими круглими крилами. Тож мені було цікаво, як би це виглядало, якби взяти кругле крило та перетворити щось подібне на пропелер».

Себастьян продовжив: «Початковою концепцією ми придумали тороїдальну форму крила в надії створити тихіший пропелер. Ми взяли цю концепцію та створили серію ітерацій за допомогою 3D-принтера».

Максимальне зниження шуму відбувається там, де це потрібно: у діапазоні частот 1-5 кГц

У кількох спробах команда знайшла конструкцію, яка не тільки знизила загальний рівень шуму для заданого рівня тяги, але й зменшила шум у діапазоні 1-5 кГц.

Насправді, вони звучали радше як різкий вітерець, ніж пропелер, видаючи менш нав'язливий звук. За словами команди, дрон з цими пропелерами видає приблизно стільки ж шуму, скільки звичайний дрон на вдвічі більшій відстані.

Себастьян сказав: «Ми вважаємо, що ключем до зменшення шуму пропелера є розподіл вихору, що генерується пропелером, по всій формі, а не лише на кінчику». «Це призводить до його набагато швидшого розсіювання в атмосфері. Оскільки вихор не поширюється так далеко, ви менш схильні його почути».

Шум від пропелера можна вирішити, розмістивши акустичні оброблювальні кільця навколо траєкторії пропелера, які також можуть служити захистом пропелера з точки зору безпеки. Але вони додають паразитну масу та скорочують термін служби акумулятора, а також можуть зазнавати впливу вітру на відкритому повітрі, що змушує дрона працювати інтенсивніше, щоб залишатися стабільним.

Команда проаналізувала ці дивно виглядаючі кільцеві стійки, щоб побачити, чи знизять вони ефективність тяги. Очевидно, ні: найкраща конструкція B160 команди була не тільки тихішою на заданому рівні тяги, ніж найкращий стандартний гвинт, який вони тестували, але й виробляла більшу тягу на заданому рівні потужності, що є чудовим, враховуючи, що стандартним гвинтам понад століття, а розробка їх та цих тороїдальних котушок перебуває на дуже ранній стадії та все ще потребує значної оптимізації.

Хоча команда MIT не витрачала багато часу на оптимізацію цих дивних на вигляд пропелерів для підвищення ефективності, вони генерували більшу тягу, ніж стандартні пропелери для заданого рівня потужності.

Що ще важливіше, тороїдальна форма не тільки підвищує структурну стійкість, але й зменшує ймовірність порізів, защемлення або заклинювання гвинтом.

З недоліків, оскільки форми досить складні, їх складніше виготовляти, ніж стандартні пропелери, які виготовляються за допомогою дешевого та простого лиття під тиском. Їх, можливо, доведеться виготовляти за допомогою 3D-друку. Але навіть якщо вони коштують у два-три рази дорожче за звичайні пропелери, вони є недорогим компонентом для дронів.

Незрозуміло, чи підійде така конструкція у більшому масштабі, замінюючи звичайні пропелери на літаках з фіксованим крилом або електричні повітряні таксі. Останні вже здаються набагато тихішими за гелікоптери, але якщо вони зрештою заполонять міський повітряний простір швидкими, економічними та екологічними повітряними суднами, кожен зайвий децибел шуму буде особливо важливим, коли справа доходить до опору громадськості та регуляторних органів. Дійсно, питання тут полягає в тому, які частоти займатимуть ці більші пропелери в звуковому спектрі, і чи рухатимуть кільцеві пропелери звук у напрямку, зручному для людини.

Команда подала патент на розробку, і хоча неясно, чи є плани щодо її комерціалізації, MIT, схоже, готовий ліцензувати її зацікавленим виробникам.

Кільцевий гвинт Sharrow для ряду підвісних моторів, що постачається на вторинному ринку: дорогий, але з надзвичайними перевагами

Більші переваги у воді

Дрони та авіація – це одне, але аеродинаміка та гідродинаміка тісно пов'язані, і виявляється, що в морському просторі вже існує продукт, що майже готовий до виробництва, який використовує дуже схожий підхід.

Компанія Sharrow Marine отримала дивовижні результати з гвинтом для човна, який використовує кільця замість стандартних лопатей. Після кількох років розробки компанія протестувала свої гвинти з сотнями стандартних гвинтів, і відмінності неймовірні. Гвинти Sharrow взагалі не створюють вихорів на кінцях – основного джерела втрат енергії та дуже великої складової загального шуму підвісних двигунів.

За течій середньої швидкості підвищення ефективності є абсурдним, заповнюючи очевидну прогалину в кривій розгону човна та заощаджуючи багато енергії.

Тороїдальні гвинти значно зменшують кількість рідини, яка «вислизає» з боків гвинта замість того, щоб втискатися всередину, тим самим втягуючи більше води та рухаючи човен вперед. Вони часто подвоюють швидкість човна на низьких та середніх швидкостях, радикально розширюючи ефективний діапазон швидкості двигуна. Водночас вони зменшують споживання палива приблизно на 20 відсотків, що було б дуже великою кількістю, враховуючи величезні енергетичні потреби гвинтових човнів та розміри галузі.

Шарроу каже, що вони значно зменшують тенденцію човна до крену назад під час розгону; натомість весь човен піднімається з води, зберігаючи при цьому вищий рівень продуктивності. Найголовніше, що вплив на зниження шуму також є далекосяжним.

Фактично, компанія стверджує, що цей гвинт, який можна встановити практично на будь-який підвісний двигун, а потім тихо рухати зі швидкістю 48 км/год (30 миль/год), дозволяє людям розмовляти на борту, не підвищуючи гучність.

Sharrow вже продає свій тороїдальний гвинт, оброблений на верстаті з ЧПК, щоб підходити до різноманітних поширених підвісних двигунів від більшості великих виробників. Недоліком продукту є ціна, оскільки вони коштують 4999 доларів за будь-яку модель, тоді як звичайний гвинт може коштувати трохи менше 500 доларів. Але знову ж таки, це невелика складова загальної вартості багатьох човнів, і враховуючи їхню ненажерливу потребу в паливі, витрати можуть окупитися в короткостроковій перспективі, зробивши їзду комфортнішою для тих, хто знаходиться на борту.