Toroidní vrtule a další cesty, jak ztišit drony

Určitě, kupříkladu vývojáři ze slavné university MIT přišli s návrhem speciálních toroidních vrtulí. Jejich nápad přitom, od svého veřejného představení zkraje letošního roku, obletěl mnohokrát dokola celý svět a dodnes silně rezonuje nejen mezi vyznavači dronů, ale celkově i v aeronautice jako takové a nevyhýbá se ani lodnímu inženýrství nebo dalším oborům.

Toroidní, možná lépe „lidsky“ nazvané „uzavřené vrtule“ jsou ale jen jednou z cest, jak snížit hluk vznikající při rychlém otáčení motorů dronů nebo letadel. Jinou možností by mohla být zcela odlišná konstrukce, která pohyb listů vrtule vyměnila za přelomový iontový pohon!

Třetí cestou, která zajímavým způsobem využívá současné technologie, je řešení společnosti Zipline, což je jeden z předních výrobců dronů v oboru bezpilotního doručování zásilek. Ten pro změnu experimentuje s nápadem hlavního nosného dronu a sofistikované doručovací jednotky spouštěné k zemi pomocí airdropping systému. Pojďme se podívat na všechna 3 řešení hezky samostatně.

Toroidní vrtule – Přelom po více jak 2000 letech!

Když se řekne vrtule, nejčastěji si představíme dva (nebo více) „zkroucených“ protichůdných listů, které se otáčí na společné ose. Tato základní konstrukce je zde s námi už od počátku 20. století, kdy se do vzduchu vznesla první letadla těžší než vzduch.

Ba co víc, základní princip vrtule využíval již od 18. století lodní šroub a pokud budeme ještě důslednější, v pradávné Číně si děti hrály, již před 2000 lety, s vrtulkami roztáčenými na dřívku v dlaních. Podobnou hračku znají i dnešní děti.

Za celou tuto historii se na vrtulích vlastně nic zásadního nezměnilo. Řešily se různé materiály, ladily přesné tvary, ale původní myšlenka a silueta je stále stejná. Až nedávno, veřejně oznámeno na začátku roku 2023, přišli vědci z univerzity MIT s konceptem takzvané toroidní vrtule, která přináší vpravdě revoluční změny do celého leteckého průmyslu.

Co je to Toroid? A lidsky prosím!

Samotný výraz „Toroid“ má poměrně složitou a nepříliš dobře uchopitelnou definici:

Více „lidsky“ by se dalo říct, že je toroid prostorový, obvykle kružnici opisující objekt. Ideálním příkladem je nafouknutá duše jízdního kola nebo taky donut! Toroidní vrtule jsou tedy takové, jejichž listy nekončí volně v prostoru, ale tvoří uzavřený tvar – kružnici, oblouk, elipsu a podobně. Příjemnější a více český výraz by tedy mohl znít „uzavřené vrtule,“ jak jsme ho už jednou představili v úvodu.

Kouzlo této uzavřené vrtule přitom spočívá právě v její až překvapivě nízké hlučnosti, oproti klasickým vrtulovým listům, a při správném tvaru také ve znatelně vyšší účinnosti. To vše bez zásadních nevýhod, ztrát nebo jiných komplikací. I když ani zde nemusí být vždy vše růžové a beze skvrnky.

Proč je uzavřená (toroidní) vrtule o tolik tišší?

Jak je vlastně možné, že uzavřená neboli toroidní vrtule znamená až tak razantní snížení hlučnosti oproti současnému konvenčnímu řešení? Při analýze běžných vrtulí se zjistilo, že největší hluk vzniká především na konci každého ze samostatných listů běžné vrtule, kde dochází k tvorbě silných vzdušných vírů, což jsou hlavní strůjci hluku.

Naopak vrtule tvořící uzavřený oblouk díky svému tvaru a absenci ostrého zakončení na vnějším konci víří vzduch výrazně méně. Přesněji, toroidní vrtule rozkládají napětí soustředící se jinak na hranách listů do výrazně větší plochy. Vzniká tedy menší víření a méně hluku.

Při optimálním tvaru jsou navíc toroidní vrtule často efektivnější, a to vlastně ze stejného důvodu – tvorba vírů na konci lopatek vrtule znamená nejen vyšší hlučnost, ale také vyšší odpor vzduchu. S uzavřenou vrtulí je proto možné dosáhnout stejného tahu při menších otáčkách, čímž se sníží i spotřeba energie putující do motorů.

Toroidal Propeller – Popis nové generace vrtulí z od výzkumníků z MIT

Ne každá mašlička je toroidním zlatem

Jak se dalo čekat, první informace o uzavřených vrtulích od výzkumníků z MIT inspirovaly k experimentům s toroidními vrtulemi řadu nadšenců a fandů do dronů, letectví, ale i jiných tu více, tu méně příbuzných oborů. Třeba i Youtubera, který se zabývá tvorbou a testováním větráčků pro počítače!

Jak přitom mnoho z těchto často náhodných, a ne vždy plně promyšlených pokusů ukazuje, klíčem k úspěchu není samotný nápad vrtule vymodelované do tvaru uzavřené smyčky, jakou lze vcelku snadno vyrobit na 3D tiskárně, ale je za tím trochu více vědy.

U podobných případů se můžeme setkat s přístupem „pokus-omyl“, kdy to někdy vyjde lépe, jindy se valný efekt nedostaví. Ideální tvar toroidní vrtule, která by byla skutečně výrazně tišší, a navíc i efektivnější, si nelze jen tak vycucat z prstu nebo z 3D tiskárny. Každopádně koncepce je to zajímavá, smysluplná a v blízké budoucnosti jistě můžeme očekávat její postupné rozšíření.

Různé toroidní vrtule použité u větráčků pro vaše PC

Od vrtulí k lodnímu šroubu aneb vyšší efektivita za 10násobnou cenu

V případě dronů je potenciální cesta k tichým a efektivním toroidním vrtulím teoreticky dost snadná. Stačí se dobrat ideálního tvaru, vytisknout je na 3D tiskárně nebo je průmyslově lisovat z plastu ve velkém a jednoduše jimi nahradit současné vrtule u dronů a dalších letadel.

Poněkud jiná situace panuje aktuálně v loďařství, kde se již nabízí komerční podoba toroidních lodních šroubů, třeba od společnosti Sharrow Marine. Díky jejich promyšlenému tvaru jsou tyto lodní šrouby při svém provozu jednak tišší, ale také výrazně efektivnější. V praxi totiž dokáží uspořit třeba i 30 % paliva při srovnatelné rychlosti plavby.

Problém je ale v tom, že tyto lodní šrouby jsou dost náročné na výrobu, jelikož nejsou z plastu a svou cenu má i celý tento nápad a jejich přesný tvar. Jsou proto mnohdy až 10x dražší než běžná alternativa! Dali byste za jeden lodní šroub 5 000 dolarů místo 500 USD za méně hospodárnou klasiku? Počítáno dlouhodobě se taková investice jistě vyplatí, ale ty vstupní náklady!

Změní toroidní vrtule letectví jednou provždy?

Další cesty k letovému tichu – iontový pohon

Zatímco pojem toroidní vrtule zní sice dost exoticky až vesmírně, pak její konstrukce vlastně žádnou „raketovou vedou“ není. Alespoň v obecném principu. Naopak iontový pohon, který se pro vznášení a snad i bezhlučný pohyb dronů po obloze snaží využít jeden americký startup, přímo pochází z oboru raketového inženýrství.

Iontové motory jsou známy už mnoho let, existuje řada jejich druhů a mají již své praktické využití. Zatím se ale prakticky vždy omezovaly na pohyb mimo zemskou atmosféru – ve vesmíru. Pracují na principu urychlování nabitých částic (iontů) v elektrickém poli. Obvykle sice nemají až tak silný tah jako „chemické“ raketové motory, zato ke své funkci nepotřebují žádné fyzické palivo. Stačí jim čistá elektřina, která může pocházet třeba ze solárních panelů. Jde tedy o takřka ideální řešení pohonu u dalekých vesmírných misí (spíše bez posádky).

Jak to souvisí s drony? Vlastně jen díky obdobnému základnímu principu, který se poprvé podařilo využít i v zemské atmosféře, a to právě k pohonu dronu značně netradiční konstrukce a vzhledu. Ten by mohl jednou vyřešit právě hlučnost strojů určených pro doručování zásilek v zabydlených oblastech. Celý tento projekt je ale zatím spíše na začátku své cesty ke skutečnému průmyslovému nasazení.

Iontová hudba budoucnosti

Projekt dronů s iontovým pohonem aktuálně rozvíjí zejména floridský startup Undefined Technologies. Jejich řešení vypadá rozhodně zajímavě, zatím bychom ale byli opatrní s bujarým vítáním revoluce v pohonu dronů. Nejde o to, že bychom vývojářům, kteří se snaží nahradit vrtule řízeným tokem iontů, nevěřili, spíš je to otázka střízlivého pohledu na věc.

Zatím víme, že první pokusy o let dronu s iontovým pohonem v roce 2020 trvaly pár desítek vteřin a hlučnost tehdy dosahovala řádově 90 dB. V roce 2022 už ale modernější verze vydržela ve vzduchu několik málo minut a hlučnost klesla na 85 dB (video z letu níže). Poslední zprávy slibovaly další pokroky v hladině hluku, který klesl na 75 dB.

Každopádně cílem, aktuálně vytyčeným pro rok 2024, je dostat se řádově na 15 minut letu a hluk srazit pod úroveň 70 dB, což je legislativní hranice stanovená pro většinu obytných oblastí v USA. Držme tedy této partě z Undefined Technologies palce. Snad se jim podaří úspěšně dosáhnout právě popsaných cílů.

Ion Propulsion Drone Proves Its Commercial Viability

Zipline P1 – dron na praku

Třetí dnešní technologickou zastávkou a nápadem, kterak skloubit aktuálně dostupné technologie s co největším uživatelským komfortem a minimem rušení, představuje jeden z konceptů společnosti Zipline. Ta se již řadu let zabývá leteckým bezpilotním doručováním zásilek, zejména v oblastech, které se vyznačují slabší infrastrukturou a většími vzdálenostmi.

Například v Africe, kde Zipline již řadu let úspěšně doručuje léky a jiné lékařské vybavení z centrálního skladu do jednotlivých nemocnic dle aktuálních potřeb lékařů a pacientů. Tento systém se startovacím katapultem a přistáváním na záchytné lano, zjevně inspirace systémem letadlových lodí, úspěšně funguje na více místech světa již od roku 2016.

Popisovaná první generace (Zipline Platform 1) si se složitým přistáváním a vykládkou zásilky příliš hlavu nedělá – jednoduše nad cílovou oblastí otevře dvířka a balíček s léky se spustí na zem na jednoduchém padáku. Pro doručování léků uprostřed Afriky je to účelné a smysluplné, jinde by ale podobné řešení samozřejmě nefungovalo, proto Zipline aktuálně připravuje druhou variantu – Platform 2.

Zipline P2 – dron na provázku

Do reálného provozu teprve chystané řešení společnosti Zipline (Platform 2, zkráceně P2), je systém zcela odlišný od původní varianty, jelikož je určený nikoliv do otevřené krajiny, ale do husté městské aglomerace. Proto zboží neshazuje na padáku, ale spouští na zem na lanku.

Možná si říkáte, že na této myšlence není nic převratného, ostatně různým způsobům a vývoji doručování zásilek jsme se věnovali na konci minulého roku – Budoucnost droní roznášky. To jsme ale ještě neznali P2 od Zipline. Ostatně už jen snášení zásilky na zem na lanku je zajímavou myšlenkou oproti představě, že vám před domem bzučí a přistává celý dron. I zde se ale skrývá řada úskalí, která Zipline obchází a „zadupává do země!“

Airdropping ve stylu Zipline P2

Základem je moderní nosný dron, který je v okamžiku „vykládky“ zafixován dostatečně vysoko ve vzduchu, aby jeho motory a vrtule zbytečně nerušily lidi a zvířata na zemi. Dolů na místo určení se na provázku (lanku) snáší samostatná doručovací jednotka (droid), který je schopný trefit se na plochu srovnatelně velkou s vaším zahradním stolkem – kružnice o průměru 18 palců.

Vtip je v tom, že na spouštěcím lanku není jen balíček, ale onen „droid“, který má své vlastní „naváděcí“ motory, díky čemuž přistává s takovou přesností, aniž by ho ovlivnil vítr, pohyb nosného lanka nebo jiné vnější vlivy. Tyto motory navíc provádí jen drobné korekce do stran, nemusí se starat o vztlak, jsou proto téměř bezhlučné. Jakmile droid vyloží svůj náklad, je v tichosti vytažen zpět do svého mateřského dronu. Kouzelné řešení, nemyslíte?

Doplňte k tomu chytře navržený systém dokovaní pro obchody či logistická centra, snadné ukládání zásilek přímo do droidu, chytré, převážně autonomní řízení letu a máme před sebou skutečně všestranný, a hlavně tichý a přesný systém doručování vhodný do moderních měst.

Komplexní představení obou systémů Zipline

Kdo bere zlatou? Toroid, ionty, nebo Zipline P2?

Dnes jsme si tedy blíže představili 3 různé cesty a možnosti, jak lze výrazně snížit hlučnost dronů, ať se již jedná o hobby modely, sportovní kousky, průmyslové stroje nebo moderní systémy pro doručování zásilek. Která cesta zvítězí a ukáže se jako nejvíce smysluplná? A nemůže se stát, že se vícero z nastíněných řešení v budoucnu propojí do jednotného celku? Jistě že může!

Když to vezmeme postupně, tak samotné toroidní (uzavřené) vrtule mají poměrně slibnou budoucnost. Pokud se této myšlenky chopí hráči jako je DJI, Autel, Skydio a další, pokud vymění tichý chod a vyšší efektivitu za omezenou skladnost uzavřených vrtulí, pak se „velká droní vrtulová revoluce“ rozjede skutečně naplno.

Zároveň si ale dokážeme představit, že se uzavřené vrtule dostanou třeba ještě dříve k větším dronům určeným pro doručování zásilek, kde je právě hlučnost kritickým parametrem. Co by bránilo tomu vylepšit systém Zipline P2 právě o toroidní vrtule a vše ještě více ztišit? Asi nic zásadního. Nebo se výhledově prosadí iontový pohon, případně nejprve na scénu vkročí pan Toroid a po čase ho vystřídá pan Iont?

Nechme se překvapit. My tyto trendy budeme rozhodně nadále sledovat a pokud bude jakákoliv jiná revoluce v droním světě klepat na dveře, u nás se o tom nastopro dozvíte vše podstatné.

👋✈ #LetuZdar

Štěpán