Индийские учёные предложили управлять крылом самолёта плазмой и нейросетями без закрылков

Срыв потока — главный враг авиации. Когда воздух перестает плавно обтекать крыло, подъемная сила исчезает, и машина проваливается вниз. Десятилетиями инженеры боролись с этим явлением с помощью подвижной механизации: закрылков, предкрылков и сложных гидравлических систем. Но группа исследователей из Технологического института Веллора предложила радикально иной подход — управлять пограничным слоем с помощью плазмы и нейросетей, полностью отказавшись от подвижных деталей.

Физика проблемы хорошо известна. На больших углах атаки поток у верхней кромки крыла сталкивается с нарастающим давлением и, не имея достаточной кинетической энергии, останавливается. Тонкий слой воздуха у обшивки разворачивается и отрывается, оставляя за крылом хаотичные вихри. Именно в этот момент самолет теряет управление. Индийские ученые решили атаковать проблему с двух сторон одновременно.

Первая часть их схемы выглядит почти еретически для классической аэродинамики. Вместо того чтобы полировать крыло до идеальной гладкости, они намеренно сделали на его нижней поверхности уступ, обращенный назад. Эта ступенька принудительно фиксирует точку отрыва потока в строго заданном месте. За уступом образуется замкнутая вихревая зона, которая меняет распределение давления по всей нижней плоскости крыла. Эффект оказался впечатляющим: только за счет одной геометрической хитрости подъемная сила выросла на 43% при оптимальной длине уступа в 20% хорды. Платой за такую производительность стало чудовищное лобовое сопротивление, выросшее более чем на 80%.

Именно здесь в игру вступает вторая технология — плазменные актуаторы. Это тонкие пластины с двумя электродами, разделенными диэлектриком толщиной менее полумиллиметра. При подаче переменного напряжения в 5,67 киловольта над поверхностью крыла возникает низкотемпературная плазма. Ионы, разгоняемые электрическим полем, сталкиваются с нейтральными молекулами воздуха и увлекают их за собой, создавая плоскую струю, прижатую к обшивке. Установленные в критической зоне у передней кромки, эти устройства впрыскивают дополнительный импульс в заторможенный пограничный слой, не давая ему оторваться.

Совместная работа двух систем дала синергетический эффект. В комбинации с плазмой уступ не только перестал быть источником сопротивления, но и позволил крылу достичь рекордных показателей. На закритических углах атаки гибридная конфигурация увеличила подъемную силу на 83% по сравнению с базовым профилем, а аэродинамическое качество — отношение подъемной силы к сопротивлению — выросло на 44%. По сути, инженеры получили два режима работы: максимальная тяга для взлета и маневров или максимальная эффективность для крейсерского полета с меньшим расходом топлива.

Однако самое сложное началось за пределами аэродинамической трубы. Для расчета обтекания крыла с плазмой ученым потребовались суперкомпьютерные мощности: симуляция трех секунд полета занимала до суток. Для бортовой автоматики, которая должна реагировать на порыв ветра за миллисекунды, такая скорость неприемлема. Решение нашлось в рекуррентных нейросетях, способных учитывать физическую предысторию потока. Обученные на гидродинамических данных, сети LSTM и GRU научились воспроизводить картину обтекания с корреляцией выше 0,96 и ошибкой менее 2% на неизвестных режимах. Время расчета сократилось с десятков часов до долей секунды.

У предложенной концепции есть очевидные ограничения. Расчеты выполнены в двумерной постановке, тогда как реальный срыв потока на крыле конечного размаха всегда трехмерен. Остается открытым вопрос энергобаланса: неизвестно, не перевесит ли вес высоковольтных преобразователей выигрыш от дополнительной подъемной силы. Но сама идея крыла без единой подвижной детали, управляемого плазмой и искусственным интеллектом, выглядит многообещающей. Такая конструкция не изнашивается, не требует гидравлики и способна адаптироваться к условиям полета мгновенно. Технология, созданная для самолетов, может найти применение и в ветроэнергетике, где лопасти турбин страдают от тех же проблем срыва потока при резких порывах ветра.

По материалам: iXBT