پهپاد‌های عجیبی که بی‌صدا پرواز می‌کنند!

ملخ یا پروانه حلقوی چیست و آیا می‌تواند آینده پهپاد‌ها را متحول کند؟ تحقیقات نشان می‌دهند پیکربندی اولیه پیشرانه‌های سنتی از زمان اولین پرواز برادران رایت در سال ۱۹۰۳ تغییر اساسی نکرده است.

به گزارش ایرنا، 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 می‌آموزند و آزمایش‌های جدیدی در این زمینه انجام می‌دهند، ملخ‌ها به اشکال پیچیده تری تکامل یافته‌اند. ملخ‌ها دارای تیغه‌های متعدد، زوایای پس گرایی بالا، تجهیزات نوک تیغه و سایر ویژگی‌ها برای بهینه سازی عملکرد سامانه در شرایط مختلف هستند.

در این میان یک پیشرفت جدید در فناوری پیشرانه، ملخ‌های "حلقه ای" هستند. این دستگاه‌ها حلقه‌ای شکل هستند و تیغه‌ها به دور یکدیگر حلقه می‌زنند. ملخ‌های 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 پروانه‌های حلقوی را ثبت کردند که در آن ادعا شده است این اختراع کارآمدتر از ملخ‌های سنتی است و سر و صدای کمتری دارد.

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

دلیل اینکه ملخ‌های حلقوی ممکن است کم صداتر باشند، به خاطر شکل پیچیده آنهاست. این ملخ‌ها 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 می‌کند.

این پدیده منحصر به پره‌های پروانه که اساساً بال‌های چرخان هستند، نیست. بال هواپیما نیز این پدیده را تجربه می‌کند. مهندسان تحقیقات زیادی روی تجهیزات نوک بال هواپیما انجام داده اند که می‌تواند این پدیده را به حداقل برسانند.

استفاده از ساختار حلقه بسته - مانند پروانه حلقوی - یکی از راه‌های 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، طرح‌های 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 کاهش 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 ویژگی‌های سیال یا هوایی است که پروانه در آن کار می‌کند. خارج از آن شرایط، پروانه عملکرد ضعیفی دارد.

تاکنون هیچکس به هندسه پروانه جادویی دارای کارایی بالا و سروصدای کم برای تمام شرایط و مقیاس‌های عملیاتی دست نیافته است. پروانه‌های 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 می‌دهد، اما این مقایسه منصفانه‌ای نیست.

ملخ‌های 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 می‌شود.

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

یکی دیگر از جنبه‌های مقایسه منصفانه که به نظر نمی‌رسد برای پروانه‌های حلقوی منتشر شده باشد، مقایسه ملخ‌های مختلف در یک نیروی رانش است. تنها در این صورت می‌توانید مزایای واقعی کاهش سروصدا و انرژی مورد نیاز برای چرخش پروانه را مشاهده کنید.

آزمایش‌های 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 می‌دهد تا ارزیابی واقعی و بهینه سازی از پروانه‌های حلقوی و سنتی داشته باشند.

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

پروانه‌های حلقوی نیز دارای معایب آشکاری هستند. یکی از اصلی‌ترین معیاب آن‌ها مشکل هندسه پیچیده آن‌ها است که تولید انبوه شان را با مشکل روبرو می‌کند و هزینه‌های تولید را بالا می‌برد. 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 هزینه‌های تولید را می‌افزاید.

هنگامی که صحبت از استفاده از ملخ‌های حلقوی برای پهپاد‌ها می‌شود، وزن سنگین‌تر 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، پروانه‌های حلقوی یک پیشرفت هیجان انگیز جدید در طراحی پروانه حداقل در برخی موارد است. این سامانه‌ها در حالی که می‌توانند کم سروصداتر باشند، اما هنوز به‌طور کامل جایگزین پروانه‌های سنتی نشده اند. در واقع هیچ طرح ملخ واحدی وجود ندارد که برای همه شرایط مناسب باشد.