СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОДЪЁМНОЙ СИЛЫ ИЗОЛИРОВАННЫМ ДИСКОМ Российский патент 2014 года по МПК B64C29/00 

Изобретение относится к области авиации и может быть использовано для создания безаэродромных, вертикально взлетающих ЛА, что, в свою очередь, расширяет функциональные, оперативные и эксплуатационные возможности авиации и позволяет существенно снизить затраты на строительство и эксплуатацию аэродромов.

Известен способ создания подъемной силы для летательного аппарата (ЛА) с вертикальным влетом и посадкой, реализованный в ЛА-вертолете [1], заключающийся в том, что необходимая подъемная сила для его взлета, полета и посадки создается несущим винтом (ротором), а не крылом. Для создания подъемной силы вертолет не нуждается в поступательном перемещении.

К недостаткам данного способа и устройства для его реализации следует отнести следующие [1]:

необходимость уравновешивания реактивного момента;

существенные, до 10%, потери мощности в трансмиссии при передаче крутящего момента от двигателя к несущему и рулевому винтам, а в самой конструкции используются длинные валы, что приводит к нежелательным вибрациям в этом ЛА;

сложность управления вертолетом из-за требования строгого соответствия между шагом хвостового винта, шагом несущего винта мощностью двигателя.

Известен также способ создания подъемной силы летательного аппарата, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что подъемную силу создают путем вращения диска со скоростью, превышающей число оборотов n=1258,86/R, где

R - радиус окружности радиального центра тяжести.

Летательный аппарат, в котором реализован вышеуказанный способ, включает полый диск, по периметру которого установлены реактивные двигатели, а в его полости - топливные емкости, отличающийся тем, что упомянутый полый диск является внутренним, расположен в наружном полом диске, внутренний периметр которого оснащен зубьями, а реактивные двигатели внутреннего диска размещены радиально, их сопла на выходе из диска повернуты по касательной к периметру диска и направлены в передние грани зубьев наружного диска, при этом ступицы обоих дисков соединены с полой осью при помощи опор, состоящих, каждая, из гидравлического подшипника, выполненного в виде ступенчатых кольцевых полостей, заполненных водой, из упорного и радиального подшипников, имеющих обводные каналы в ступице для тел качения, причем в теле полой оси выполнены технологические люки, в ее полости размещено оборудование, на верхней части оси расположена кабина, на нижней - картер, отсеки с оборудованием и опоры, а в качестве топлива используют кислород и водород.

Кроме того, вышеуказанный ЛА отличается еще и тем, что его наружный полый диск по внешнему периметру дополнительно снабжен полыми поворотными лепестками с замками, удерживающими их в сложенном положении, и клапанами для заправки и слива балласта (воды).

При этом ЛА снабжен дополнительно не менее чем одним приводом (наружный диск с внутренним, установленные на полой оси), а кабина выполнена в виде автобуса.

Кроме того, этот ЛА составлен из 4 приводов, расположенных равномерно вокруг центрального привода, а их полые оси соединены общей рамой.

К недостаткам описанных выше способа и устройства для его реализации можно отнести повышенный уровень шума из-за сложности балансировки подвижного внешнего диска с подвижными лепестками и удерживающими замками и, как следствие, возникновение трудногасимых резонансных частот в полых резонирующих конструкциях рабочих дисков, подвижных лепестков и осей.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение подъемной силы, основанное на передаче рабочей аэродинамической среде - воздуху, механической энергии вращающегося диска с образованием зоны пониженного давления и отделения этой зоны от зоны спокойного воздуха с атмосферным давлением посредством неподвижного изолятора. Разница давлений, действующих на кинематически связанную пару «диск-изолятор» (атмосферного - на изолятор, пониженного - на вращающийся диск), даст соответственно подъемную силу, величина которой будет зависеть от значения массовой плотности воздуха, скорости вращения диска и его радиуса.

Представляется возможным полагать, что величина подъемной силы будет существенно выше, чем при традиционных способах ее получения путем обтекания, например, несимметричного аэродинамического профиля воздушным потоком, когда поток, а равно и его энергия, в критической точке делится на две неравные части, которые создают разрежение по контуру профиля, на верхней и нижней его поверхностях, а подъемную силу создает лишь их разность.

Для достижения этого результата предложен способ получения подъемной силы, заключающийся в том, что подъемную силу создают вращением диска, и отличающийся тем, что одну из поверхностей вращающегося диска изолируют от невозмущенного воздуха неподвижным изолятором, куда помещают диск, чем обеспечивают разность между атмосферным давлением невозмущенного воздуха, действующим на изолятор, и местным статическим давлением потока, омывающего незакрытую изолятором поверхность вращающегося диска, уравновешивают реактивный и гироскопический моменты, для чего используют вторую пару «диск-изолятор», которую устанавливают на одной оси с первой, вращают диски с одинаковой скоростью в разных направлениях и направляют неизолированные поверхности дисков в сторону действия получаемой подъемной силы, величина которой будет приближенно определяться соотношением:

Y=2С_кρR⁴n², (1)

где Ск - комплексный безразмерный коэффициент, учитывающий совершенство пары «диск-изолятор», собственно форму вращающегося диска, а также переводные коэффициенты;

ρ - массовая плотность воздуха;

R - радиус вращающегося диска;

n - число оборотов диска в минуту.

С учетом «принципа обращенного движения» [3], который широко применяется в аэродинамике и заключается в том, что силы, действующие на ЛА, не зависят от того, рассматривается ли движение тела в воздушной среде или наоборот, воздушный поток набегает с той же скоростью на тело - можно считать, что скорость движения диска относительно воздуха равна скорости движения воздуха относительно диска.

Известно также [3], что аэродинамические силы, действующие на тело, движущееся в воздушном потоке или помещенное в воздушный поток, определяются силами трения и давления. Рассмотрим последние.

Так, силы давления зависят от формы тела, ориентации его относительно потока и параметров самого потока - температуры, плотности, давления и скорости (расхода). Помещенное в поток тело деформирует его. На фиг.1 показана картина обтекания аэродинамического профиля при дозвуковой скорости потока.

Известно [3], что согласно уравнению энергии Бернулли

где ρ - плотность;

V - скорость воздуха;

$$\frac{\rho \cdot V^2}{2}$$ - скоростной напор, в единицах давления (который иногда обозначают буквой - q):

P - статическое давление;

сумма скоростного напора и статического давления в струйке есть величина постоянная.

Так, например, с увеличением площади сечения струйки, скорость потока в ней снижается, а значит, уменьшается и скоростной напор q - динамическая составляющая энергии потока, но в этом случае растет ее статическая составляющая - P, и наоборот, если площадь сечения струйки уменьшается, то скорость потока в ней, а следовательно, скоростной напор q увеличиваются, но тогда снижается статическое давление - P.

Если воздушный поток омывает несимметричный аэродинамический профиль, то подъемная сила будет направлена в сторону большего поджатия потока профилем, поскольку с этой стороны действует меньшее статическое давление и местная скорость здесь выше, чем со стороны, где скорость потока ниже из-за того, что поджатие потока меньше.

Так, если в потоке перемещать симметричное тело (в нашем случае вращать плоский диск), то обе его поверхности будут омываться потоком с одинаковой скоростью, а значит, динамические и соответственно статические составляющие полного давления этого потока будут одинаковыми, вращающийся диск будет находиться в равновесии, потому что действующие на его поверхности силы от статических составляющих давлений потоков, омывающих поверхности диска, будут равны.

При этом, как было сказано, полное давление потока P_полн будет складываться из статической составляющей P_местн и динамической - скоростного напора q_местн=pV² _местн/2.

Заметим лишь, что с ростом скорости вращения величина динамической составляющей энергии потока - q_местн будет расти, а статической - P_местн - уменьшаться, причем существенно, по отношению к атмосферному давлению P_атм неподвижного воздуха.

Теперь если нижнюю, например, поверхность вращающегося диска, на которую оказывает давление P_местн, герметично закрыть кинематически связанным с диском изолятором соизмеримой с ним площади, получим систему «диск-изолятор», на верхнюю незакрытую поверхность которого действует P_местн, а на нижнюю P_атм, которое больше P_местн на величину, примерно равную q_местн. Действие разности этих давлений на площадь пары «диск-изолятор» и создаст подъемную силу.

Найдем соотношение для определения подъемной силы, возникающей в паре «вращающийся диск-изолятор».

Для удобства вычислений и использования традиционных соотношений аэродинамики переведем угловую скорость диска в линейную, воспользовавшись формулой Эйлера[5]:

где w - угловая скорость;

r - радиус диска;

Известно также соотношение [3], где угловая скорость может быть выражена в об/мин:

w=πn/30, (4)

где n - число оборотов диска в минуту.

С учетом предыдущих соотношений найдем значение линейной скорости вращающегося диска:

V=πnr/30. (5)

Следует заметить, что линейная скорость диска будет неодинакова на различном удалении от центра вращения - нулевой в центре при нулевом радиусе и максимальной на боковой поверхности диска при максимальном радиусе, поэтому, пользуясь эпюрой изменения скорости в зависимости от радиуса (фиг.2), найдем среднее значение линейной скорости диска.

А с учетом соотношения (4) получим зависимость:

V=πnr/60. (7)

Находим соотношение для определения скоростного напора - q_местн

q_местн=ρV²/2. (8)

Подставляем в эту формулу зависимость (7) и получаем:

q_местн=ρπ²n²r²/7200. (9)

Далее находим силу Y_разр от действия разрежения P_местн на площадь S=πr² неизолированной поверхности диска.

Y_разр=q_местнS или

Y_разр=ρπ²n²r²/7200·πr². (10)

В результате преобразований получаем:

Y_разр=ρπ³n²r⁴/7200. (11)

Объединим постоянные π и делитель в комплексный коэффициент С_к, который при расчетах следует брать равным:

С_к=π²/7200=0,0043.

Представим зависимость (11) в удобной форме:

Y_разр=С_кρn²r⁴. (12)

Заметим лишь, что, если расчеты будут производиться для двух пар «диск-изолятор», добавляется множитель 2.

Анализ вышеизложенного позволяет сделать несколько выводов в пользу предлагаемого способа:

- величина подъемной силы Y для пары «диск-изолятор» зависит от значения массовой плотности воздуха, скорости вращения диска в квадрате и от величины радиуса диска в четвертой степени, поэтому значительное увеличение подъемной силы может быть получено преимущественно за счет увеличения радиуса пары «диск-изолятор»;

- применение двух пар «диск-изолятор» для уравновешивания гироскопического и реактивного моментов позволяет увеличить подъемную силу сразу в два раза, естественно, за вычетом массы конструкции;

Подсчитаем, с какой скоростью необходимо вращать диск радиусом 6 м и площадью соответственно 113 м², что примерно соответствует площади крыла самолета Ту-134 (115 м²) [6] с взлетной массой 44 т, при значении массовой плотности воздуха 0,125 кГ с²/м⁴ у поверхности Земли.

Для этого перепишем формулу (12) и подставим значения Y, С_к, ρ и r.

n²=(Y/С_к  ρ r⁴), или

n=(44000/0,0043·0,125·1296)^1/2.

n=252 об/мин, или w=26,3 с^-1, или V=157,8 м/с.

Полученное в результате прикидочного расчета значение скорости вращения диска, которая оказалась невелика, для создания требуемой подъемной силы позволяет предположить следующее:

- заявляемый способ предполагает создание устройства компактного и соизмеримого с размерами современных истребителей с относительно небольшим размахом крыла [7], в нашем случае был взят линейный размер - радиус 6 м (диаметр - 12 м);

- на устройстве, в котором может быть реализован предлагаемый способ, могут быть получены существенно большие значения подъемной силы, чем на традиционных ЛА, где поток рабочей аэродинамической среды, а значит, и его энергия разделяется в критической точке аэродинамического профиля на две части, и лишь их разность участвует в создании подъемной силы;

- заявляемый способ может быть технически реализован в устройстве с использованием широкой номенклатуры современных газотурбинных двигателей, в частности турбовинтовых, у которых турбина развивает большую мощность, чем требуется для вращения компрессора, и передает эту избыточную мощность через редуктор на воздушный винт, в нашем случае это вращающийся диск [3];

- такое устройство малошумно, поскольку во вращении участвует гладкий диск.

Вот в чем, по мнению авторов, выражается технический результат предлагаемого технического решения в интересах получения подъемной силы, его существенное отличие от других и его преимущество.

Предлагаемый способ может быть реализован использованием, например, устройства, показанного на фиг.3, где изображены: вращающийся с некоторой угловой скоростью w плоский диск - 1, стакан-изолятор - 2 (далее стакан), приводной вал диска - 3, опоры - 4, сальники - 5, внутренняя стенка стакана - 6, боковая поверхность диска - 7, лабиринтные уплотнения - 8, поверхность диска, обращенная к днищу стакана - 9, днище стакана - 10, спокойный воздух с атмосферным давлением - 11, привод для вращения диска - 12, неизолированная поверхность диска - 13, разрежение - 14, внешняя поверхность днища стакана-изолятора - 15, P_местн - местное статическое давление, P_атм - атмосферное давление.

Работа устройства

Если вращать диск - 1 посредством привода - 12 с некоторой скоростью w, то произойдет следующее.

Неизолированная стаканом-изолятором поверхность вращающегося диска - 13 начнет двигаться в спокойном воздухе с атмосферным давлением P_атм - 11 и создавать пограничный слой. Через этот слой часть кинетической энергии вращающегося диска будет передаваться потоку воздуха, делая его возмущенным.

На этой поверхности диска будет возникать разрежение - 14, соответствующее P_местн по отношению к неподвижному воздуху с атмосферным давлением Р_атм - 11.

На поверхности диска, обращенной к днищу стакана-изолятора - 9, также возникнет разрежение - 14, но оно будет изолировано как от неподвижного воздуха 11, окружающего стакан-изолятор - 2, так и от возмущенного потока, омывающего неизолированную поверхность диска - 13.

На наружную поверхность днища стакана-изолятора - 15 будет действовать атмосферное давление спокойного воздуха Р_атм.

В результате действия Р_местн на площадь неизолированной поверхности - 13 диска - 1 с одной стороны и Р_атм - на внешнюю поверхность стакана-изолятора - 15 - с другой, образуются противоположно направленные силы, равнодействующая которых - Y и есть подъемная сила, возникающая при вращении диска - 1.

На фиг.1 показана картина обтекания профиля крыла при дозвуковой скорости потока.

На фиг.2 показана эпюра изменения линейных скоростей точек, лежащих на радиусе вращающегося диска.

На фиг.3 изображено устройство, в котором может быть реализован вышеописанный способ.

Источники информации

1. В.М. Коц, Д.Е. Липовский. В.Л. Вельский, И.П. Власов, В.Н. Зайцев, С.Н. Кан, В.П. Карножицкий. Конструкция летательных аппаратов. М.: Оборонгиз, 1963.

2. Заявка на изобретение №2007103967/11, 10.11.2011 г., МПК B64G 1/40, М.С Никитюк. Способ создания подъемной силы летательного аппарата и летательный аппарат для его осуществления.

3. Справочник авиационного техника. М.: Воениздат, 1964.

4. ГОСТ 23281-78 Аэродинамика летательных аппаратов. Термины, определения и буквенные обозначения.

5. Справочник по физике. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. М.: Наука, 1964.

6. Т.И. Лигум. Особенности аэродинамики самолета ТУ-134. Москва, типография РИО МГА, 1968.

7. Н.И. Рябинкин. Современные боевые самолеты. Минск: Элайда, 1997.

Изобретение относится к области авиации и может быть использовано для создания безаэродромных вертикально взлетающих ЛА. Способ создания подъемной силы для ЛА заключается в том, что подъемную силу создают вращением диска, при этом одну из поверхностей вращающегося диска изолируют от невозмущенного потока воздуха неподвижным изолятором в виде соосного с диском стакана, куда помещают диск, чем обеспечивают разность между атмосферным давлением невозмущенного воздуха, действующим на изолятор, и статическим давлением потока, омывающего незакрытую изолятором поверхность вращающегося диска. Вращение диска внутри изолятора осуществляют исключая их взаимное осевое перемещение на опорах. Вышеуказанные среды разделяют уплотнениями. Реактивный и гироскопический моменты уравновешивают за счет использования второй пары «диск-изолятор», которую устанавливают на одной оси с первой. Достигается возможность получения подъемной силы летательного аппарата. 3 ил.

Способ создания подъемной силы для ЛА, заключающийся в том, что подъемную силу создают вращением диска, и отличающийся тем, что одну из поверхностей вращающегося диска изолируют от невозмущенного потока воздуха неподвижным изолятором в виде соосного с диском стакана, куда помещают диск, чем обеспечивают разность между атмосферным давлением невозмущенного воздуха, действующим на изолятор, и статическим давлением потока, омывающего незакрытую изолятором поверхность вращающегося диска, причем вращение диска внутри изолятора осуществляют исключая их взаимное осевое перемещение на опорах, вышеуказанные среды разделяют уплотнениями и уравновешивают реактивный и гироскопический моменты, используя вторую пару «диск-изолятор», которую устанавливают на одной оси с первой, направляют неизолированные от среды поверхности дисков в сторону действия получаемой подъемной силы и вращают диски с одинаковой скоростью в разных направлениях, при этом создаваемая подъемная сила будет приближенно определяться соотношением:
Y=2C_кρR⁴n²,
где С_к - комплексный безразмерный коэффициент, учитывающий совершенство пары «диск-изолятор», собственно форму вращающегося диска, а также переводные коэффициенты;
ρ - массовая плотность воздуха;
R - радиус вращающегося диска;
n - число оборотов диска в минуту.