Ciche drony
Studenci z SKN Aerospace Engineering, koła naukowego Politechniki Śląskiej, zaprojektowali śmigło toroidalne do dronów, które jest bardziej ekologiczne, mniej hałaśliwe i bezpieczniejsze od klasycznych śmigieł. Samodzielnie zbudowali także stanowisko do pomiarów napędu poziomu hałasu. Ich pomysł już zyskał uznanie.
SKN Aerospace Engineering to koło naukowe Politechniki Śląskiej, działające od listopada 2022 roku i liczące obecnie 25 członków. Opiekunem koła jest dr hab. inż. Wojciech Skarka, prof. PŚ. Jak mówią studenci, na co dzień zajmują się budową różnego typu dronów oraz części do samolotów.
– Pomysł na projekt śmigieł toroidalnych zrodził się z potrzeby poprawy efektywności paliwowej i redukcji hałasu w lotnictwie – opowiada Wiktoria Solorz z SKN Aerospace Engineering, studentka Wydziału Transportu i Inżynierii Lotniczej Politechniki Śląskiej. – Inspiracją były badania prowadzone przez MIT Lincoln Laboratory ze Stanów Zjednoczonych, które wykazały potencjał tej technologii w zwiększaniu wydajności i stabilności dronów.
Śmigła toroidalne cechuje zdecydowanie odmienna budowa w porównaniu z klasycznym śmigłem. Korzystne osiągi oraz parametry powiązane są z ich geometrią. Ich kształt i wydajność wpływają na to, że znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach.
Studenci Politechniki Śląskiej stworzyli ten typ śmigieł dla dronów. Są wykonane z filamentów PLA przy użyciu technologii druku 3D FDM, umożliwiającej tworzenie skomplikowanych struktur. PLA to rodzaj tworzywa sztucznego „bioplastik”. Wykonane jest z surowców roślinnych, takich jak kukurydza czy maniok, co sprawia, że jest stosunkowo łatwo biodegradowalny.
Autorzy projektu wydrukowali prototypy śmigieł różnego typu, które zostały przetestowane na stanowisku do pomiarów ciągu oraz poziomu hałasu. Co ciekawe, z racji potrzeby przetestowania, studenci sami zbudowali stanowisko w postaci klatki.
– Najtrudniejszymi aspektami było balansowanie między zużyciem energii, prędkością obrotową a generowanym hałasem – mówi Wiktoria Solorz.
Śmigła toroidalne były testowane w różnych konfiguracjach łopat – dwóch, trzech i czterech czy z geometrią łopat w kształcie torusa. W przypadku pomysłu naszych studentów, łopaty śmigła są w kształcie nakładających się na siebie pierścieni, co redukuje wiry końcowe i zmniejsza opór indukowany.
Koncepcja autorów tego projektu posiada wiele zalet. Udało im się zredukować hałas o około 10 dB w zakresie wysokich częstotliwości (2 kHz do 8 kHz). Generowany ciąg wynosił 254.78 g przy maksymalnych obrotach (7600 obr/min) w porównaniu do 327.8 g dla śmigła konwencjonalnego.
– Dzięki unikalnej geometrii, śmigła generują znacznie mniejszy hałas, co jest korzystne w zastosowaniach miejskich i w pobliżu ludzi – mówi Adrian Dawid. – Lepszy rozkład przepływu powietrza wokół łopat zwiększa ciąg przy niższych prędkościach obrotowych, co przekłada się na oszczędność paliwa. Zaokrąglone krawędzie łopat zmniejszają ryzyko uszkodzeń w wyniku kolizji z różnymi elementami, bądź jest też bezpieczniejsze przy, na przykład, zderzeniu z człowiekiem. Mniejszy hałas i większa efektywność energetyczna przyczyniają się do zrównoważonego rozwoju, zmniejszając negatywny wpływ na środowisko.
Ich pomysł spotkał się z uznaniem podczas konferencji Environmental Protection and Energy Conference, która odbyła się w grudniu ubiegłego roku w Gliwicach. Studenci z SKN Aerospace Engineering zostali laureatami w konkursie na ekologiczne rozwiązanie za prezentację „Modern propeller systems with low noise emissions”.
Śmigła toroidalne zastosowane w budowie dronów mogą więc zastąpić śmigła konwencjonalne przy redukcji hałasu optymalizacji.
Prototyp powstał przy udziale Wiktorii Solorz, Wiktorii Michalak, Adriana Dawida, Macieja Sikorskiego (wszyscy z Wydziału Transportu i Inżynierii Lotniczej Politechniki Śląskiej), Wiktora Smołki (Wydział Elektryczny) oraz Cherifa Hamraniego (Wydział Mechaniczny Technologiczny). Zrealizowany został w ramach projektu PBL i będzie kontynuowany.
To nie jedyne ciekawe inicjatywy opracowane przez SKN Aerospace Engineering.
– Nasz inny projekt to dron ornitopter, który porusza skrzydłami wzorując się na ruchu skrzydeł ptaków. Kolejny to cyklopter. To innowacyjny system napędowy, w którym wielołopatkowe skrzydła obracają się wokół zamkniętego, wirującego koła. Łopaty zmieniają swoje nachylenie podczas obrotu, generując ciąg przez przyspieszanie powietrza w dół, zgodnie z zasadami mechaniki Newtona, co umożliwia pionowy start oraz zwiększoną manewrowość. Mamy też projekt, który opiera się na wykonaniu miniatury krzesła z naturalnych kompozytów. Celem jest stworzenie przedmiotu, który będzie w pełni biodegradowalny, a jego właściwości wytrzymałościowe nie odbiegają wartościami od właściwości włókna szklanego czy włókna węglowego. Obecnie pracujemy także nad dronem z panelami fotowoltaicznymi – zapowiadają członkowie koła.
tekst: Martin Huć
zdjęcia: Zdjęcia archiwum SKN Aerospace Engineering
Tekst pochodzi z Biuletynu 6 (366) 2024
