Сборник авторских инженерно-технических решений для летательных аппаратов будущего
Введение
Инновационный прогресс в авиации неразрывно связан с постоянным поиском новых способов увеличения аэродинамической эффективности и улучшения характеристик летательных аппаратов. Традиционные методы конструирования достигли пределов своей оптимизации, и дальнейшее развитие требует интеграции междисциплинарных научных достижений, заимствования уникальных свойств природы и синтеза современного технического опыта.
Природные объекты обладают высоким уровнем адаптивности и оптимальности форм и движений. Так, птицы, насекомые, природные явления по типу смерча демонстрируют удивительные способности эффективного производства подъёмной силы и высокой маневренности благодаря особым механизмам взаимодействия со средой. Современные исследования показывают возможность реализации аналогичных конструктивных элементов и принципов в искусственных системах.
Данная работа направлена на изучение и адаптацию природных феноменов в технике летательного аппарата, что позволяет достичь качественно новых результатов.
Автор подробно рассматривает практические аспекты реализации этих концепций, приводя конкретные технические решения, экспериментальные испытания и численное моделирование различных устройств, таких как роторные орнитоптеры и вихревые роторы. Исследование ориентировано на решение актуальных проблем современной авиации, связанных с необходимостью повышения грузоподъёмности, дальности полёта и экономичности эксплуатации летательных аппаратов.
1. Гребенчатое крыло
Аэродинамика махового полёта, наблюдаемая у птиц и насекомых, демонстрирует решения, заимствованные природой для обеспечения конструктивной устойчивости, высокой подъёмной силы и манёвренности. Одним из таких решений является сегментированная или гребенчатая структура крыла. В традиционной аэродинамике считается, что сплошные, гладкие поверхности крыла способствуют наилучшему потоку. Однако природа использует крылья, лишённые полной сплошности: перья у птиц, мембранные крылья с щетинками у насекомых.
Это наталкивает на инженерную идею – использовать гребенчатую структуру крыла как активный элемент управления потоком, как завихритель, способный формировать устойчивые вихревые структуры.
1. Определение и вид гребенчатого крыла.
Под гребенчатым крылом понимаем крыло, разделённое поперёк на множество узких продольных разрезов (сегментов).
Эти сегменты работают независимо при сохранении общей направленности движения, но между ними остаются зазоры.
2. Работа гребенчатого крыла как завихрителя.
Гребенчатое крыло фактически выступает как генератор микровихрей. При прохождении потока через щели между сегментами формируются тангенциальные смещения скоростей, приводящие к срыву частиц воздуха и возникновению локальных вихревых структур.
Эти вихри:
– ускоряют переход пограничного слоя из ламинарного в турбулентный;
– стабилизируют отрыв потока;
– повышают присасывающее давление с верхней стороны крыла;
– увеличивают критический угол атаки и диапазон устойчивой работы крыла.
Сегментация задней (или всей) части крыла провоцирует образование не одного, а нескольких параллельных вихревых дорожек позади крыла. Это позволяет не только повысить активную площадь воздействия потока, но и перераспределить силы давления по хорде крыла.
В результате формируются устойчивые вихревые структуры, которые действуют с направленной подъемной и/или тянущей силой, аналогичным образом тому, как это наблюдается у живых организмов – птиц и насекомых.
3. Биологические вдохновения.
Птицы.
У большинства птиц маховые перья в области размаха на концах крыла свободны. Это образует типичную гребенчатую структуру, придающую крылу свойства продуваемого решётчатого завихрителя. Даже в случаях, когда у птиц отсутствуют одно-два перья в крыле, они свободно продолжают летать. Этим подтверждается способность вихрей огибать решётчатую структуру без разрушения общей вихревой картины.
Насекомые.
Многие виды, особенно из отряда перепончатокрылых и двукрылых, имеют крылья, усеянные мелкими выростами: чешуйками, микрощетинками, зубцами на передней и задней кромке. Эти элементы работают как естественные турбулизаторы, стимулируя формирование микровихрей.
Рис. 1. Крыло насекомого с микроструктурами на поверхности
Таким образом природа использует гребенчатые, шероховатые или перфорированные конструкции для управления потоком воздуха с целью получения большей аэродинамической эффективности на низких скоростях.
4. Аэродинамические преимущества гребенчатого крыла.
Увеличивается критический угол атаки. Это происходит за счёт завихрения потока ближе к кромке замедляется или предотвращается преждевременный отрыв.
Рост подъёмной силы на малых скоростях. Вихри создают дополнительное присасывающее давление с верхней стороны крыла.
Расширяется диапазон устойчивой работы махового крыла при несимметричных и импульсных нагрузках (взмах, стопорение).
Снижается чувствительности к локальным повреждениям или загрязнениям крыла.
Способность управляемой генерации вихрей при махе позволяет синхронно усиливать подъёмную и тянущую составляющие силы.
5. Экспериментальная реализация.
В экспериментальных установках гребенчатое крыло создаётся на базе стандартного плоскостного профиля с продольными разрезами, выполненными от задней кромки на 1/3 хорды. Количество сегментов подбирается в пределах 5–7, чтобы достигнуть оптимального соотношения между стабильностью несущего потока и интенсивностью создаваемых вихрей.
Рис. № 2. Гребенчатое крыло завихритель.
Эксперимент подтвердил повышение подъёмной силы гребенчатого крыла по сравнению с аналогичным классическим крылом при ротационном машущем движении (вращение одновременно в двух плоскостях).
Таким образом гребенчатое крыло, реализующее функции вихревого завихрителя, представляет собой инженерную адаптацию биологических решений, проверенных эволюцией. Его способность стабилизировать поток, увеличивать подъёмную силу и улучшать эффективность махового цикла делают его перспективным элементом для создания компактных, манёвренных, аэродинамически устойчивых летательных аппаратов.
Развитие технологий управления вихрями, сенсорика, адаптивной геометрии и био-вдохновлённых систем обеспечивает ключ к дальнейшему использованию гребенчатых конструкций в авиации будущего – особенно в микро- и наноавиации.
2. Двух вихревая модель махового полёта
Маховой (или машущий) полёт представляет собой одну из наиболее сложных форм аэродинамического движения, характерную для многих представителей живой природы – от насекомых и птиц до рукокрылых. Благодаря высокой манёвренности, эффективности на малых скоростях и способности к зависанию, маховой полёт стал предметом пристального научного изучения, как в биомеханике, так и в области создания биомиметических летательных аппаратов.
Одним из ключевых аэродинамических механизмов, объясняющих генерацию подъёмной силы при таком типе движения, является вихревая модель. В данной статье будет рассмотрена двухвихревая модель машущего полёта – концепция, в основе которой лежит образование пары взаимодействующих кольцевых вихрей, возникающих при каждом взмахе крыла. Модель объясняет устойчивое поступательное движение, формирование подъёмной силы и особенности динамики крыла в процессе машинального полёта.
1. Общие положения о вихрях
Вихрь – это структурированный элемент потока, в котором происходит вращательное движение объёма воздуха или жидкости. Считается, что одиночный вихрь, образующийся в однородной среде, не способен к самостоятельному равномерному переносу – он либо остается на месте, либо распадается под воздействием внешней вязкости. Однако в системе из двух линейных вихрей с равной интенсивностью, но противоположным направлением вращения (вихревой диполь), возможен устойчивый и равномерный перенос. Такая система движется перпендикулярно плоскости вихрей, сохраняя структуру и энергию циркуляции.
2. Принцип двух вихревой модели.
Двух вихревая модель машущего полёта строится на предположении, что при каждом взмахе крыла формируются два основных кольцевых вихря:
– Один вихрь формируется на нижней стороне крыла при его движении вниз.
– Второй – на верхней стороне крыла во время его обратного маха вверх.
Каждый вихрь обладает собственной интенсивностью (циркуляцией) и направлением вращения. Эти вихри распространяются в противоположных направлениях относительно центра массы объекта (мускульной базы насекомого или тела птицы) и формируют структуру, напоминающую расходящийся диполь.
Вихревая пара, благодаря законам гидродинамики, ведёт себя как единая система, движущаяся в сторону, перпендикулярную к плоскости кольца, то есть вниз относительно круговой структуры. При этом направление обусловлено преобладающим импульсом «выталкивания воздуха» из-под крыла.
Рис. № 3. Вихревой машущий полёт и формирование вихревых потоков.
3. Динамика формирования вихрей.
Во время маха вниз крыло ускоряется, создавая ускорение движущейся массы воздуха вдоль его профиля, в результате чего на задней кромке крыла образуется мощный кольцевой вихрь. Этот вихрь отрывается от крыла и остаётся в потоке позади.
На следующей фазе движения (вверх) крыло изменяет угол атаки и траекторию, создавая меньший или другой по структуре вихрь на противоположной стороне (обычно менее интенсивный, чтобы не «отменить» действие первого). В результате создаётся асимметрия интенсивностей – вихри различаются по циркуляции и скорости распространения.
Именно эта асимметрия даёт результирующее воздействие на систему: одна сторона «выталкивает» воздух сильнее другой, создавая подъёмную силу, направленную вверх или вперёд.
4. Силовые воздействия в двух вихревой структуре.
На такую вихревую систему действуют две основные силы:
1. Взаимное отталкивание вихрей вверх и вниз по оси симметрии крыла – эта сила разделяет вихри и способствует стабильности структуры.
2. Результирующее движение всей вихревой структуры в сторону вытекания воздуха – то есть перпендикулярно плоскости кольца, что обусловливает образование подъёмной силы и продвижение организма вперёд.
Рис. 4. Силовое взаимодействие вихрей
Где:
F – сила, воздействующая на цилиндр в направлении, перпендикулярном направлению потока;
Р0 –давлений между вихрями;
Р00– давление в свободном пространстве
Формально это можно представить, как результирующую силу, обусловленную разностью расходов массы воздуха и циркуляции в двух кольцах.
5. Биологические и инженерные предпосылки.
Наблюдения за полётом насекомых и птиц показали, что скорость движения крыла внутри махового цикла не является постоянной. Взмах вниз (удар) происходит быстрее и с более сильным ускорением, чем движение крыла вверх. Это приводит к тому, что нижний вихрь получается более интенсивным, а верхний – слабее, что и поддерживает выход воздуха преимущественно вниз.
Кроме того, угол атаки в процессе маха постоянно меняется. Разные участки крыла (например, основание и кончик) могут иметь различные углы атаки одновременно. Таким образом формируются локальные вихревые структуры разной силы и масштаба, которые суммируются в устойчивую вихревую картину.
6. Конструктивные аналогии и гребенчатое крыло
Интерес представляет тот факт, что ни крылья насекомых, ни крылья птиц не являются сплошными или идеально гладкими. У насекомых они покрыты чешуйками, волосками и выростами, многие из которых выполняют функцию турбулизаторов, генерирующих микровихри. У птиц края крыльев состоят из отдельных перьев, и даже частичная их утрата не влечёт нарушений в полёте. Это наводит на мысль о том, что стабильная вихревая структура не требует абсолютной сплошности несущей поверхности.
На основании этих наблюдений создаются инженерные модели, в том числе гребенчатые крылья – разделённые на «пальцеобразные» секции, которые обеспечивают выход вихрей и преобразование воздушного потока.
7. Трудности практической реализации
Несмотря на теоретическую ясность модели, практическое воспроизведение машущего полёта с управлением вихревой динамикой – задача крайне сложная. Особенно трудна реализация асимметричного маха, то есть, когда мах вверх и мах вниз происходят с разной скоростью, амплитудой и углом атаки, что необходимо для устойчивого создания разностной вихревой тяги.
Управление интенсивностью вихрей требует высокой точности синхронизации движений крыла, адаптивного контроля и обратной связи от потока, что пока является недоступным для большинства простых механических моделей. Тем не менее, достижения в области микро электромеханических систем (MEMS), сенсорики и биомиметической робототехники дают надежду на скорую реализацию физических моделей махового полёта нового поколения.
Таким образом, двух вихревая модель представляет собой новый инструмент для понимания аэродинамики машущего полёта. Она позволяет описать сложные процессы генерации подъёмной силы через взаимодействие вихрей, образуемых в разных фазах маха крыла. Учитывая биологические прототипы и конструктивные особенности биокрыла, модель находит практическое применение в разработке мускуломаховых летающих роботов, мини дронов и других аппаратов, базирующихся на принципе вихревой аэродинамики.
3. Возвратно-поступательный привод винта вертолёта
Традиционно подъёмная сила в вертолётных системах создаётся за счёт постоянно вращающегося несущего винта, приводимого во вращение двигателем. Однако в рамках альтернативного подхода предлагается новая концепция привода несущего винта – возвратно-поступательная, основанная на принципе, аналогичном механизму заводной детской юлы. Такой метод позволяет реализовать маховое поведение винта, потенциально дающее новые качества – ритмичность, упрощение механики и возможность преобразования направленного усилия в циркуляционное вращение без передачи постоянного крутящего момента.
Рис. 5. Возвратно-поступательный привод винта (принцип действия на примере юлы)
1. Концепция.
В конструкции применяется храповиковый механизм, аналогичный тому, который используется в детской юле. Возвратно-поступательное движение преобразуется в однонаправленное вращение винта за счёт действия храпового привода. При этом винт жёстко закреплён на своей оси и свободно вращается при воздействии обратного движения привода.
Возможны две основные схемы компоновки:
– Приводная тяга размещается над винтом (давит сверху вниз);
– Приводная тяга размещается под винтом (тянет снизу вверх).
Обе конструкции с точки зрения принципа работы являются эквивалентными, различие лишь в компоновке и направлении приложения силы.
Принцип действия.
В рассмотренной реализации приводная тяга соединяется с храповым механизмом, встроенным внутрь оси винта. При возвратно-поступательном движении тяги (вверх-вниз) храповик преобразует один из направлений движения (например, движение вниз) в крутящий момент, вращающий винт в одну сторону. Обратное движение (вверх) либо свободно прокручивает храповик, либо может быть использовано с другим храпом для создания энергии в том же или противоположном направлении.
Таким образом, обеспечивается вращение винта без необходимости непрерывной передачи крутящего момента, как в случае валов и редукторов.
Аэродинамические условия: режим висения.
В случае, если винт имеет достаточно большой диаметр и высокую аэродинамическую эффективность (удельную подъёмную силу), возникает возможность реализации висения конструкции. При этом ритмичное поступательное воздействие на приводную тягу (снизу или сверху) создаёт вращение винта за счёт действия храпового механизма, а сам винт генерирует подъёмную силу, направленную вверх.
Важно отметить, что усилие, приложенное к тяге (вниз, в случае верхнего привода), не препятствует появлению подъёмной силы, если величина создаваемой аэродинамической тяги превышает силу воздействия от механизма.
Таким образом, создаётся система, в которой:
– Приводная тяга движется вверх-вниз (осциллирующее движение);
– Храповик преобразует движение в однонаправленное вращение;
– Винт вращается и создает подъёмную силу;
– Суммарный эффект при соответствующих условиях приводит к висению винта вместе с приводной системой.
4. Сравнение с маховыми системами.
Можно рассматривать такую реализацию как разновидность махового летательного элемента. Характерной особенностью махающего полёта в биологических системах (насекомые, птицы) является наличие возвратно-поступательного движения, при котором то одна, то другая фаза движения активно участвует в генерации подъёма.
В данной концепции винт, несмотря на свою вращательную природу, фактически приводится в движение через маховую схему – поступательным возвратно-ритмичным возбуждением движения. Это сближает конструкцию с машущим крылом и открывает перспективы для биомиметической реализации подъёмно-движущих систем на базе простого храповика.
6. Ограничения и экспериментальные наблюдения.
Экспериментально зафиксировано, что на винтах малого диаметра добиться устойчивого висения невозможно: создаваемой подъёмной силы не хватает, чтобы компенсировать вес самого механизма и приложенную силу от приводной тяги. Это связано как с геометрией, так и с аэродинамическими характеристиками лопастей.
Для реализации эффекта висения необходимо соблюдение следующих условий:
– Диаметр винта должен быть достаточно велик;
– Частота возвратно-поступательных движений должна соответствовать необходимой угловой скорости несущего винта;
– Аэродинамическое совершенство профиля должно обеспечивать КПД винта выше определённого порогового значения.
Прототип устройства с крупным винтом показал возможность устойчивого подвеса при ритмическом ручном или моторизованном возвратно-поступательном воздействии на приводную тягу.
Таким образом возвратно-поступательный привод винта на основе храпового механизма представляет собой интересную альтернативу традиционному вращательному приводу. Он сочетает в себе простоту конструкции, реализацию преобразования энергии маха в вращение и потенциальную применимость в биомиметических и образовательных проектах.
Экспериментальные исследования подтверждают работоспособность концепции при использовании винтов больших диаметров. В условиях правильного подбора массы, геометрии лопастей и частоты движения возможен режим висения. Данная технология сближает механический подход к полёту с биологической логикой движения – от вращения к машущему поведению, что открывает перспективные направления в разработке не только игрушек, но и нестандартных летательных решений.
При необходимости статью можно дополнить схемами изделия, чертежом храпового механизма, расчётами усилий, теоретическим анализом из гидродинамики (например, оценкой создаваемой тяги винта), или подготовить текст для патентного описания.
4. Вихревой машущий ротационный подъёмный винт
Вихревой машущий ротационный подъёмный винт представляет собой гибридный тип несущего винта, в котором сочетаются элементы вращения в двух плоскостях. Принцип действия
Особенность заключается в том, что лопасти совершают сложное движение в двух плоскостях:
– Первая плоскость – горизонтальная, отвечает за классическое вращение лопастей вокруг центральной (осевой) вертикальной оси – аналогично традиционным вертолётным винтам.
– Вторая плоскость – радиально-перпендикулярная к первой: в ней каждая лопасть дополнительно совершает вращение вокруг своей продольной оси. То есть в комбинированном режиме – вращение ротора + собственное торцевое вращение каждой лопасти.
Примером реализации подобного принципа является известная «игрушка Жуковского», вращательная конструкция, где подъём создаётся за счёт вихревого движения воздуха вокруг оси при ротации.
Рис. 6. Игрушка Жуковского.
Это механический аналог элементарного вихревого ротора.
Аэродинамический механизм подъёмной силы.
Аэродинамический принцип работы базируется на эффекте Магнуса – аэродинамическом явлении, возникающем при обтекании вращающегося цилиндрического или лопастного объекта потоком воздуха.
При движении вращающейся лопасти, обтекаемой воздушным потоком, происходит образование асимметричного вихревого слоя вокруг тела. С одной стороны лопасти вихревое движение совпадает с направлением внешнего обтекания потоком, усиливая результирующую скорость и снижая статическое давление. С противоположной стороны направления противоположны – скорость обтекания уменьшается, давление возрастает.
Таким образом, по закону Бернулли возникает разность давлений, формирующая подъемную силу, направленную перпендикулярно направлению внешнего потока и зависящую от величины угловой скорости собственного вращения лопасти и скорости горизонтального обтекания.
Fmagnus = S · ρ · v × ω
где:
– S – площадь контактного взаимодействия,
– ρ – плотность среды,
– v – скорость внешнего потока,
– ω – угловая скорость вращения тела.
Суммарный эффект приводит к дополнительной циркуляции потока и формированию устойчивого вихря на передней кромке вращающегося элемента, аналогично тому, как это реализуется в боковом обтекании вращающегося мяча (теннис, бейсбол).
Сравнение с машущим полётом.
На следующем изображении приведены траектории движения концов лопастей и их центров масс при комбинированном режиме вращения. Каждая лопасть, в дополнение к ротации вокруг вертикальной оси ротора, описывает в радиальной проекции фигуру, напоминающую восьмёрку или эллипсоидальную петлю, в зависимости от фазового сдвига между двумя плоскостями вращения.
Рис. 7. Траектории движения концов лопастей
Данный рисунок наглядно иллюстрирует схожесть комбинированного движения лопастей с траекторией движения крыла птицы при взмахе.
Эксперимент.
Для проверки работоспособности концепции изготовлен стенд.
В конструктивном плане стенд подставлен на следующем рисунке.
Рис. № 8. Стенд для проверки работоспособности вихревого машущего винта.
Пластиковые пластинки принудительно вращаются в горизонтальной плоскости на одной общей оси, но в противоположных направлениях. Одновременно такая конструкция принудительно вращается во второй плоскости на одной общей оси в вертикальной плоскости.
Организацию такого вращения одновременно в двух плоскостях обеспечивает простейший редуктор.
Для редуктора были взяты угловые две маленькие шестерёнки и одна большая от двух идентичных углошлифивальных машин с передаточным числом 1:4.
За один оборот винта лопасти совершают 4 полных оборота в противоположных направлениях, т.е. по одному обороту в сегменте ¼ круга.
Большая шестерня изготовлена свободно вращающейся от основного приводного вала. Фиксируя её в неподвижном состоянии добиваемся соосного против вращения лопастей винта.
Также манипулируя этой шестернёй, т.е. совершая дополнительные возвратно-поступательные ритмические движения этой шестерни в выбранных четверть сегментах круга обеспечивается путевое управление при использовании такой конструкции подъёмного винта летательного аппарата.
Результаты экспериментальных работ.
При конструкции редуктора, когда двигатель снизу – подъёмная сила направлена вверх и не меняется при изменении направления вращения двигателя.
Отбрасываемый поток воздуха при одинаковой скорости вращения втулки редуктора винта с жёстко зафиксированными углами атаки лопастей в 30 градусов (лопасти соосно не вращаются) в разы меньше, по сравнению с таким же вращением, но уже с вращением лопастей в двух плоскостях.
“Продувая дымом” работу такого винта на малых скоростях подтверждена возможность путевого управления по аналогии с работой автоматом перекоса классического вертолёта. Путевое управление осуществляется путём совершения дополнительных возвратно-поступательных ритмических колебаний большой общей шестерни редуктора в определённом четверть сегменте круга. При этом обеспечена синхронизация, т.е. начало такого движения шестерни с положением лопастей. Дымом визуализируется усиление потока в заданном направлении колебательного движения большой шестерни редуктора винта.
Таким образом вихревой машущий ротационный подъёмный винт представляет собой перспективную инженерную концепцию, совмещающую преимущества классического винта и машущего крыла. Использование эффекта Магнуса, биоуподобленных траекторий и синхронной ротации в двух плоскостях позволяет добиться новых высот в аэродинамической эффективности, особенно в микро- и малых аппаратах. При дальнейшем развитии привода лопастей, синхронизации фаз вращения и оптимизации профилей возможна реализация таких винтов в беспилотных системах, робототехнике и экспериментальных летательных аппаратах.