Представьте, что самолет взлетел, а вы смотрите в окно и вдруг обнаруживаете, что крылья колышутся, скручиваются и бесшумно меняют форму — большинство пассажиров наверняка занервничают на месте. Но именно это немецкие инженеры и тестируют с помощью новой технологии: прототипа деформируемого крыла, способного «трансформироваться» в реальном времени во время полета.
Этот проект, возглавляемый Немецким аэрокосмическим центром (DLR) и имеющий кодовое название morphAIR, направлен на обеспечение упрощенной адаптивности в воздухе, подобной птицам и рыбам, что сделает самолеты более эффективными и простыми в управлении. В природе летающие и плавающие существа часто могут производить чрезвычайно тонкую и непрерывную настройку всей поверхности крыла или тела; птицы могут производить сложные изменения в размахе крыльев, кривизне и повороте, а рыбы могут достигать эффективного движения и рулевого управления за счет скоординированных движений туловища и плавников. Напротив, традиционные самолеты полагаются на жесткие крылья и отдельные поверхности рулей направления, такие как закрылки, элероны и рули направления, для изменения положения. Эта сегментированная конструкция увеличивает механическую сложность, вес и затраты на техническое обслуживание, а также вызывает шум и дополнительные аэродинамические потери.
В последние несколько десятилетий причина, по которой такая конструкция с неподвижным крылом и разделенной поверхностью управления стала отраслевым стандартом, заключалась не в том, что она идеальна, а в том, что это инженерный «компромисс». Профиль, пригодный для взлета, не пригоден для крейсерского полета, а профиль, пригодный для крейсерского полета, не пригоден для посадки; форма крыла, подходящая для определенной скорости, определенной высоты или определенного режима маневрирования, часто становится неоптимальной в других условиях эксплуатации. Существующие крылья гражданских самолетов проектируются «умеренно» с учетом множества типичных условий эксплуатации: чтобы быть «достаточными, но не слишком плохими» в как можно большем количестве сценариев, а не быть максимально оптимизированными в каком-либо отдельном сценарии.
DLR пытается отойти от этого компромисса и вместо этого «инженерно адаптироваться» на подхвате. В концепции morphAIR крылья могут активно деформироваться на разных этапах полета: достигать более высокой подъемной силы при взлете и посадке, уменьшать сопротивление во время крейсерского полета, улучшать отзывчивость во время поворотов и повышать устойчивость в условиях турбулентности. С этой целью DLR установила новое деформируемое крыло на испытательный беспилотный самолет под названием PROTEUS и провела сравнительные испытания параллельно с традиционными крыльями для проверки летной годности и эффекта интеграции системы.
Крыло morphAIR изготовлено из полностью армированного волокном композитного материала со встроенными «трансформируемыми сегментами», способными непрерывно сгибаться на задней кромке. В этой детали используется HyTEM (Hyperelastic Trailing Edge Morphing), гиперэластичная система деформации задней кромки, независимо разработанная DLR, которая позволяет добиться плавной деформации без явных линий сгиба и зазоров. Концепция заменяет традиционные закрылки и элероны множеством небольших приводов, распределенных по всему размаху крыла, объясняет руководитель проекта Мартин Радесток из Института легких систем DLR. Эти приводы могут точно регулировать профиль крыла в десяти положениях, не создавая сегментированных зазоров на профиле, тем самым уменьшая сопротивление профиля и улучшая общие аэродинамические характеристики и динамику полета при одновременном изменении подъемной силы, индуцированного сопротивления и управляющего момента.
Истинный потенциал деформируемого крыла можно раскрыть только с помощью интеллектуальных систем управления. Для этой цели DLR разработала систему управления полетом с помощью искусственного интеллекта, специально разработанную для таких сильно изменяющихся характеристик движения крыла. Во время полета адаптивный алгоритм постоянно отслеживает фактическую реакцию самолета и сравнивает ее с обученной эталонной моделью. При обнаружении аномальных условий, таких как турбулентность, локальное повреждение или отказ привода, система перераспределяет команды управления по крылу в режиме реального времени для поддержания стабильного полета. Алгоритмы также были обучены на моделируемых сценариях отказа и способны выявлять и компенсировать режимы отказа, которые могут привести к серьезной потере управления в традиционной архитектуре самолета.
На уровне восприятия DLR также использует оригинальное решение. Вместо того, чтобы размещать на крыле сенсорную матрицу большой площади, команда разработала метод, позволяющий определить распределение аэродинамического давления по всему крылу по небольшому количеству точек измерения. С помощью этой технологии реконструкции система управления полетом может «воспринимать» состояние воздушного потока вокруг профиля в целом в реальном времени, сравнивать восстановленное поле давления с ожидаемым состоянием, автоматически идентифицировать локальные возмущения, а также активно реагировать и подавлять их до того, как они усилится.
Благодаря сотрудничеству деформируемых крыльев, искусственного интеллекта и технологии реконструкции поля давления крыло morphAIR обладает способностью в некотором смысле «чувствовать» и «думать» о своем собственном статусе полета. Исследователи описывают его как одну из попыток создать крыло самолета, наиболее близкое к адаптивности поверхности крыла птицы. В настоящее время летные испытания дрона PROTEUS, оснащенного этой технологией, в основном проверяют базовую летную годность системы, а также интеграцию и координацию между различными подсистемами, закладывая основу для дальнейшей оптимизации и расширения применения в будущем.
Хотя подобным деформируемым крыльям в обозримом будущем будет сложно проникнуть на крупные коммерческие авиалайнеры, у них есть многообещающие перспективы в области дронов. На следующем этапе DLR планирует провести дальнейшие тестовые полеты на архитектуре PROTEUS общей массой около 70 килограммов, чтобы продемонстрировать возможность распространения технологии на более масштабные платформы. Ранее DLR опубликовала видео испытательного полета, демонстрирующее в реальном времени процесс деформации крыла во время полета. Внешний мир может наблюдать за реальной работой этого нового поколения технологии изменения поверхности поверхности в воздухе по соответствующим ссылкам.