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Lame per elicotteri a risparmio energetico
Gli elicotteri possono eseguire alcune incredibili imprese acrobatiche, ma sono anche rumorosi, traballanti e costosi da gestire. I ricercatori della NASA stanno sviluppando pale per elicotteri dotate di un materiale intelligente che cambia forma che potrebbe portare a una corsa più fluida, silenziosa ed efficiente in termini di consumo di carburante.
Lame intelligenti: La NASA ha testato i suoi nuovi attuatori in una galleria del vento presso l'Ames Research Center utilizzando pale di elicottero a grandezza naturale (in alto). L'attuatore (in basso) contiene materiali piezoelettrici, che cambiano forma quando sottoposti a un campo elettrico. I fili in alto a destra dell'immagine sono pile piezoelettriche. Quando viene applicata la tensione, si estendono una piccola quantità, creando un movimento meccanico che muove un lembo su e giù. (Il lembo è la parte lunga, sottile e gialla della lama nell'immagine in alto.)
Le lame utilizzano attuatori piezoelettrici, dispositivi meccanici che incorporano un materiale che cambia forma quando viene sottoposto a un campo elettrico. Questo cambiamento di forma deforma la pala del rotore mentre gira, migliorando le prestazioni aerodinamiche di un elicottero.
L'anno scorso, la NASA, in collaborazione con l'azienda aerospaziale Boeing , l'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa ( DARPA ), e l'esercito degli Stati Uniti, hanno testato la prima pala del rotore a grandezza naturale per utilizzare la tecnologia in una galleria del vento che simula le condizioni di volo. Il sistema ha ridotto significativamente le vibrazioni, risparmiato energia e ha permesso di controllare più precisamente il movimento del rotore. In futuro, il sistema potrebbe anche ridurre il rumore. Ora è pronto per essere testato in volo, anche se non è stata ancora fissata una data per il primo volo.
In questo momento, stiamo cercando di capire e apprezzare tutto ciò che abbiamo realizzato nella galleria del vento a grandezza naturale, afferma William Warmbrodt, il capo progetto della divisione di ricerca e tecnologia sui veicoli di volo della NASA Centro Ricerche Ames , in California.
Quando la pala di un elicottero attraversa l'aria, lascia dietro di sé una scia, e mentre la lama dietro di essa passa attraverso quella scia, sperimenta una vibrazione periodica. Avere l'attivazione della lama consente di inserire un movimento periodico nei lembi della lama con la giusta ampiezza, fase e frequenza per annullare quella vibrazione, afferma Steven Hall , professore di aeronautica e astronautica al MIT e consulente del progetto NASA.
Le persone parlano da molto tempo dell'utilizzo di materiali intelligenti negli aerei, ma ciò che [è davvero] mancato è il giusto tipo di attuatore per renderlo pratico, afferma Hall. Gli sforzi precedenti, che coinvolgevano attuatori idraulici, si sono rivelati troppo pesanti e lenti per essere pratici. È difficile eseguire l'idraulica in un telaio rotante: è necessaria una forza sufficiente per deviare l'aletta perché i carichi d'aria sono molto elevati e devi farlo alla frequenza richiesta, afferma Hall.
Soffiato dal vento: Le pale di elicottero in scala reale dotate degli attuatori sono state testate nella più grande galleria del vento del mondo, situata presso l'Ames Research Center della NASA, in California. La galleria del vento simula condizioni di volo equivalenti a un viaggio a 155 nodi.
Il nuovo attuatore si trova all'interno del telaio in acciaio di una pala del rotore vicino sia alla punta della pala, dove le forze aerodinamiche sono maggiori, sia un lembo sulla parte posteriore che si muove su e giù mentre gira. Gli amplificatori di potenza trasmettono un campo elettrico al materiale piezoelettrico all'interno degli attuatori e quel materiale risponde cambiando lunghezza, espandendosi di una quantità molto piccola (circa 10-20 millesimi di pollice). Questo muove un'asta perpendicolare al lembo della lama, che spinge il lembo. Stai facendo un piccolo movimento, amplificandolo abbastanza da spostare il lembo di alcuni gradi, dice Hall.
Ma il movimento del lembo crea un drammatico cambiamento aerodinamico alla lama. Il flap può aiutare a generare portanza o velocità dell'aria e, mentre un aeroplano può utilizzare solo i flap per il decollo e l'atterraggio, tali flap possono essere utilizzati in qualsiasi momento durante il volo in elicottero.
Ciò che è veramente importante è che i materiali piezoelettrici siano rigidi e possano cambiare forma rapidamente. Questo è ciò che lo rende un attuatore accettabile, afferma Hall. I materiali intelligenti rendono inoltre il sistema di attuatori leggero e compatto. Inoltre, i ricercatori della NASA hanno progettato il sistema di attuatori per adattarsi alla struttura delle pale degli elicotteri esistenti senza modificare in modo significativo il design delle pale del rotore.
I materiali intelligenti hanno un'enorme promessa di rivoluzionare il modo in cui progettiamo, costruiamo e gestiamo i nostri elicotteri, afferma Warmbrodt.
Il progetto potrebbe avere diversi spin-off: l'esercito degli Stati Uniti sta sviluppando un secondo rotore utilizzando motori elettrici e la DARPA ha appena annunciato un Mission Adaptive Rotor ( MARE ), che esaminerà una serie di tecnologie, compresi i materiali intelligenti, per migliorare le pale del rotore utilizzate negli elicotteri militari.
Warmbrodt aggiunge: Il programma DARPA MAR è il prossimo passo per vedere come cambieremo radicalmente il design delle pale degli elicotteri per raggiungere un nuovo livello di prestazioni.