Сова — адский ночной демон, бесшумно убивающий из тьмы. По крайней мере, с точки зрения дневных птиц и довольно большого количества мелких зверей. Пока все спят, она действует-злодействует. Одна из самых полезных адаптаций — не только диагональное ухо (чтобы брать точный пеленг на мыша ровно спереди), но и бесшумный полёт.

В этой научной работе решили отреверсить сову и цикаду, чтобы наделать побольше бесшумных дронов. Ну, знаете, чтобы когда к вам прилетала 5-литровкая баклажка воды в 3 ночи, это происходило бесшумно.

Раньше выбор был довольно простой: либо тихо, либо большое время полёта, потому что падал КПД пропеллера.

У сов на переднем крае крыльев есть специальные зазубрины-зубчики. Они разбивают поток воздуха на кучу мелких завихрений — и полёт становится почти бесшумным. А у цикад очень сложная и эффективная форма крыльев, которая позволяет им отлично летать, затрачивая минимум энергии.

Тут рассчитали гибридный дизайн пропеллера, который взял форму крыла цикады и покрыл её не просто зубчиками, как у совы, а сложной трёхмерной волнистой поверхностью, вытащенной из реверса структуры совиных перьев.

Напечатали несколько типов пропеллеров, чтобы сравнить их между собой:
— 3D-SC пропеллер в форме крыла цикады с 3D-волнистой поверхностью.
— Пропеллер в форме крыла цикады, но с гладкой поверхностью. Это нужно, чтобы понять, какой вклад вносит именно волнистая текстура.
— Зубчатый — пропеллер обычной формы, но с традиционными 2D-зазубринами на переднем крае (как обычно делают, копируя сову). Это нужно, чтобы сравнить их 3D-волны с обычными 2D-зубчиками.
— Гладкий обычный — стандартный пропеллер с гладкой поверхностью. Это базовая модель для сравнения.
— Промышленный стандарт — пропеллер от популярного дрона DJI Phantom 3. Это сравнение с реальным хорошо зарекомендовавшим себя продуктом.

Считали на стенде практику и моделировали в аэродинамическом софте.

— На расстоянии 5 метров, под углом 30 градусов новый пропеллер оказался на 5,5 дБ тише, чем промышленный стандарт DJI. Если что, там шкала не линейная, для человеческого слуха снижение на 3 дБ, грубо говоря, воспринимается как уменьшение громкости вдвое (и речь про распространение звука по городу, а не громкость прямо стоя около дрона, вот тут в комментариях детали — и ещё).
— Шум снижается во всём диапазоне частот — и низкочастотный гул, и высокочастотное шипение.
— 3D-волны лучше 2D-зубцов.
— В ходовых режимах пропеллер потреблял на 20,2% меньше энергии, чем пропеллер DJI (можно выбрать между большей тягой при том же потреблении или меньшим потреблением при той же тяге).
— Собрали пропеллеры побольше, получили похожие результаты — улучшение эффективности на 22,6%.

На гладкой поверхности воздушный поток ведёт себя нестабильно, срываясь в множество мелких хаотичных вихрей. Они и шумят. А на волнистой совиной поверхности рельеф заставляет воздушный поток организовываться в более крупные стабильные и упорядоченные завихрения.

На низких оборотах эти вихри ослабляют пульсации давления на поверхности лопасти — это снижает тональный шум. А на высоких оборотах "удерживают" поток, не давая ему быстро перейти в хаотичную турбулентность. Энергия не рассеивается на создание хаотичных мелких вихрей, а остаётся в этих крупных структурах.

Это подавляет широкополосный шум (шипение) и одновременно повышает аэродинамическую эффективность.

Для низких оборотов лучше подходят более частые и высокие волны, а для высоких — наоборот.

В конце работы им кто-то подсказал, что можно не только косплеить сов, но и получить патенты на турбины для ветряков и заняться винтами морских танкеров, поэтому, кажется, мы потеряли ещё одну научную команду.

А вот рассказ про то, как самолёт заворачивали в акулу.

--
Вступайте в ряды Фурье! | Лучшие посты
— Я сова.
— Поздно ложишься и с трудом встаешь?
— Нет, блин, бесшумно летаю и ем мышей.