Hydrodynamic Propulsive Performance of a Hybrid Aquatic-Aerial Rotor-Wing System under Collective Pitch and Rotational Speed Matching

Stel je een voertuig voor dat door de lucht kan vliegen en vervolgens in de golven kan duiken om te zwemmen, waarbij het dezelfde draaiende bladen gebruikt voor beide reizen. Dit is de belofte van hybride aquatisch-luchtvaartuigen, machines die ontworpen zijn om de kloof tussen lucht en zee te overbruggen. Hoewel het idee van een enkel platform dat twee zulke verschillende werelden dient aantrekkelijk is, is de fysica van het bewegen door lucht en water wezenlijk verschillend. Lucht is dun en licht; water is dicht en zwaar. Een rotorblad dat efficiënt door de atmosfeer snijdt, heeft vaak moeite om effectief door de oceaan te duwen, en de aanwezigheid van een vaste vleugel achter de draaiende bladen voegt nog een extra laag complexiteit toe. Wanneer een rotor vóór een vleugel in het water draait, raakt het water dat de rotor naar achteren duwt de vleugel, wat een chaotische interactie creëert die het voertuig ofwel kan helpen ofwel kan hinderen in zijn voorwaartse beweging. Het begrijpen van hoe deze twee onderdelen precies met elkaar communiceren, is essentieel als ingenieurs hopen machines te bouwen die efficiënt onder water kunnen cruisen zonder een volledig nieuwe set propellers nodig te hebben voor de duik.

Onderzoekers aan de Wuhan University of Technology gingen deze puzzel oplossen door nauwkeurig te kijken naar hoe een draaiende rotor en een stationaire vleugel samenwerken onder water. Ze concentreerden zich op twee specifieke besturingen die piloten of computers kunnen aanpassen: de hoek van de bladen, bekend als de collectieve pitch, en de snelheid waarmee de bladen draaien. Het doel was om de perfecte combinatie van deze twee instellingen te vinden om het voertuig met de minste verspilde energie naar voren te laten bewegen. Met behulp van krachtige computersimulaties die het kolkende water rond de bladen en de vleugel modelleerden, testte het team een breed scala aan combinaties. Ze keken niet alleen naar de rotor alleen of de vleugel alleen, maar bestudeerden het hele systeem als een enkele eenheid, waarbij ze observeerden hoe het water dat van de rotor afstroomt de krachten op de vleugel veranderde, en hoe de vleugel op zijn beurt de krachten op de rotor veranderde.

De studie toonde aan dat het simpelweg sneller of langzamer laten draaien van de bladen niet genoeg is; de hoek van de bladen moet zorgvuldig worden afgestemd op de snelheid om het beste resultaat te bereiken. Toen de onderzoekers de bladhoek en de rotatiesnelheid samen aanpasten om aan specifieke stuwkrachtvereisten te voldoen, ontdekten ze dat ze de efficiëntie van de rotor zelf met wel 16,2 procent konden verbeteren ten opzichte van een standaardinstelling. Deze verbetering vond plaats omdat het gezamenlijk aanpassen van de hoek en de snelheid de vorm van het water dat achter de bladen kolkt, ook wel de zogenaamde 'wake' genoemd, veranderde. De meest verrassende ontdekking ging echter niet alleen over de rotor, maar over de relatie tussen de rotor en de vleugel. Het team ontdekte dat de draaiende bladen een zogenaamde wake creëren die water op een manier duwt die de weerstand, of drag, op de vleugel erachter vermindert. In sommige gevallen verminderde deze interactie de weerstand van de vleugel met meer dan de helft, terwijl de lift tegelijkertijd werd vergroot.

Deze vermindering van de weerstand is een belangrijke overwinning voor het totale systeem. Hoewel de interactie tussen de rotor en de vleugel de efficiëntie waarmee de rotor op zichzelf draaide niet drastisch veranderde, maakte het het gehele voertuig veel efficiënter in het voorwaarts bewegen. De onderzoekers berekenden dat door gebruik te maken van deze interactie, de totale voortstuwingsrendement van het systeem met wel 5,2 procent kon verbeteren. Dit voordeel werd groter naarmate de bladhoek toenam, maar er was een limiet. Als de bladen te steil stonden, werd de rotor zelf inefficiënt, en waren de winsten uit de interactie met de vleugel niet genoeg om het verlies te compensen. De studie toonde aan dat de beste algehele prestaties werden gevonden bij een specifiek middengebied waar de bladhoek hoog genoeg was om een nuttige wake voor de vleugel te creëren, maar niet zo hoog dat de rotor moeite kreeg om te draaien.

De onderzoekers keken ook naar hoe stabiel het systeem was onder deze verschillende instellingen. Ze ontdekten dat wanneer de bladen op een zeer hoge hoek werden gezet, de krachten op de rotor veel grilliger werden, waarbij de waterstroom onstabiel werd en sterke trillingen veroorzaakte. Deze instabiliteit was gekoppeld aan het feit dat het water van de bladpunten losliet, wat een rommelige wake creëerde die de rotor deed schudden. In contrast hiermee bleef de stroming bij lagere hoeken glad en stabiel. Het team concludeerde dat hoewel de interactie tussen rotor en vleugel een krachtig middel is om energie te besparen, het een rotor die slecht is ontworpen voor de taak niet kan repareren. De beste aanpak is het vinden van een evenwicht waarbij de rotor efficiënt op zichzelf draait en tegelijkert if de wake creëert die de vleugel helpt om met minder weerstand door het water te snijden.

Deze bevindingen bieden een duidelijke routekaart voor het ontwerp van toekomstige hybride voertuigen. In plaats van de rotor en de vleugel te behandelen als afzonderlijke onderdelen die toevallig in de buurt van elkaar zijn, kunnen ingenieurs ze nu zien als een team waarbij het ene deel het andere actief helpt. Door de draaisnelheid zorgvuldig af te stemmen op de hoek van de bladen, is het mogelijk om een waterstroom te creëren die de inspanning vermindert die nodig is om het voertuig vooruit te duwen. Dit vereist geen nieuwe materialen of complexe nieuwe vormen, maar eerder een slimmere manier van het gebruik van de controles die er al zijn. De studie bevestigt dat de complexe dans van het water tussen een draaiende rotor en een vaste vleugel niet alleen een bron van problemen is, maar een verborgen kans om de onderwaterreis efficiënter te maken, mits de instellingen met precisie worden afgesteld.