Способ создания подъемной силы для летательного аппарата

Изобретение относится к области летательных аппаратов и воздушного транспорта. Согласно способу для создания подъемной силы летательного аппарата используют принцип, основанный на вращении динамических несущих элементов вокруг собственной оси и одновременно вокруг центральной оси, перпендикулярной плоскости их вращения. Для создания подъемной силы летательного аппарата в качестве динамических несущих элементов используют диски, из которых формируют отдельные группы, каждая из которых состоит из лежащих в одной плоскости пары дисков, при этом для создания подъемной силы диски, входящие в каждую группу, вращают в противоположных направлениях и с различными скоростями. При этом для управления величиной тяги летательного аппарата угол наклона плоскости вращения дисков к горизонтальной плоскости меняют в пределах 0-45°. Для балансировки динамических нагрузок на центральный приводной вал группы дисков размещают концентрично центральной оси вращения и на равных друг от друга расстояниях. Предложенный способ обеспечивает появление комбинированной тяги для летательного аппарата, обусловленной как аэродинамическими силами, так и гироскопическим эффектом. При этом существенно уменьшается коэффициент трения воздушного потока о плоскость вращающихся дисков, что в определенной степени повышает и КПД силового привода летательного аппарата. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области летательных аппаратов и воздушного транспорта.

Известен способ создания подъемной силы, реализованный в летательном аппарате ″турболет″ (Патент РФ 2268845, МПК В64С 39/06, опубл. 27.01 2006 г. ), где подъемная сила для летательного аппарата создается путем вращения в противоположных направлениях двух соосных, расположенных в параллельных плоскостях кольцевых дисков, с набором обладающих аэродинамическим качеством пластинок - кольцевых крыльев, которые имеют различный диаметр для исключения их взаимовлияния, причем кольцевое крыло большего диаметра расположено выше кольцевого крыла меньшего диаметра.

Известный способ достаточно сложен в реализации, в связи с чем не нашел практического применения.

Известен также способ создания подъемной силы, в котором крыло аэродинамического профиля выполняют в форме конусного кольца, усеченная вершина конуса которого направлена вниз (Патент РФ №2089458, МПК В64С 29/00, опубл. 10.09.1997). В центральной части крыла создают равномерный в вертикальном направлении воздушный поток с помощью осевого вентилятора. Вертикальный воздушный поток, создаваемый в центре конусного кольцевого крыла, имеющего асимметричный профиль, создает подъемную силу по тем же причинам, что на крыле самолета, т.е. из-за асимметричности профиля крыла.

Способ позволяет создать летательные аппараты вертикального взлета, однако при этом неэффективно используется площадь крыла для создания подъемной силы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ создания подъемной силы летательного аппарата, реализованный в техническом решении «Тяговое устройство и приводной динамический несущий элемент тягового устройства (Патент РФ № 2344965, МПК В63Н 9/02, В64С 23/08, опубл. 27.01.2009 г. ПРОТОТИП).

Суть данного способа заключается в том, что для создания подъемной силы приводные динамические несущие элементы объединяют в один каркас, который вращают относительно центральной оси в одну сторону, при этом оси вращения динамических несущих элементов располагают параллельно этой оси, а сами элементы вращают в направлении, противоположном направлению вращения каркаса с динамическими несущими элементами. Приводной динамический несущий элемент имеет конусоидальную форму и выполнен с возможностью вращения продольной оси динамического несущего элемента под углом к оси вращения. Приводной динамический несущий элемент может быть размещен в нижней части с обратным конусом.

Данный способ, принятый нами в качестве прототипа, достаточно сложен в реализации. Для создания тягового усилия используется известный эффект Магнуса. Другие физические эффекты одновременно с эффектом Магнуса не используются. Поэтому тяговое усилие остается низким и не эффективным. Используемые в данном способе несущие элементы в виде усеченных конусов делают конструкцию летательного аппарата громоздким и материалоемким.

Техническим результатом заявленного технического решения является упрощение способа и повышение суммарного тягового усилия летательного аппарата за счет одновременного использования аэродинамических сил, в сочетании с другими физическими эффектами.

Технический результат достигается тем, что в известном способе создания подъемной силы для летательного аппарата путем вращения динамических несущих элементов вокруг собственной оси и одновременно вокруг центральной оси, перпендикулярной плоскости их вращения, согласно изобретению для создания подъемной силы в качестве динамических несущих элементов используют диски, из которых формируют отдельные группы, каждая из которых состоит из лежащих в одной плоскости пары дисков, при этом для создания подъемной силы летательного аппарата диски, входящие в каждую группу, вращают в противоположных направлениях и с различными скоростями, при этом для управления величиной тяги угол наклона плоскости вращения дисков к горизонтальной плоскости меняют в пределах 0-45°.

Технический результат достигается и тем, что группы дисков размещают концентрично центральной оси вращения и на равных друг от друга расстояниях.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:

на фиг. 1 - схема тягового устройства, реализующего способ (вид сбоку);

на фиг. 2 - динамические несущие элементы (вид сверху);

на фиг. 3 - схема формирования тяги при взаимодействии динамического несущего элемента с воздушной средой.

Тяговое устройство, реализующее способ (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3), содержит центральный приводной вал 1, кинематически связанный с силовой установкой 2. К центральному валу 1 прикреплены несущие консоли 3, кинематически связанные с автоматом перекоса 4. На конце каждой несущей консоли 3 размещена платформа 5, оснащенная динамическими несущими элементами - дисками 6, из которых формируют отдельные группы, каждая из которых состоит из лежащих в одной плоскости пары дисков 6. Диски 6 в каждой группе размещены в одной плоскости вращения и кинематически связаны с силовым приводом 7 посредством цепной передачи 8, обеспечивающим вращение дисков 6 вокруг собственной оси с заданной скоростью и в заданном направлении (фиг. 2). Оси динамических несущих элементов (дисков) 6 размещены параллельно друг относительно друга. Автомат перекоса 4 в процессе вращения системы дисков 6 вокруг оси центрального вала 1 обеспечивает возможность менять угол наклона платформы 5 с дисками 6 в пределах 0-45°. Диски 6 в группах могут располагаться как под консолью 3, так и над ней, как показано на чертежах (фиг. 1, фиг. 2).

Способ с помощью данного устройства реализуется следующим образом.

Вращающимся вокруг своих продольных осей динамическим несущим элементам 6, расположенным на платформе 5, придают второе вращение вокруг оси центрального вала 1, кинематически связанного с силовой установкой 2. При этом динамические несущие элементы 6, размещенные на одной платформе 5, вращают в противоположных направлениях так, как показано на чертеже (фиг. 2). При этом угол наклона платформы 3 относительно плоскости вращения вокруг оси центрального вала 1 (угол атаки) может меняться в пределах от нуля до 45°. В результате участия динамических несущих элементов 6 в двух направлениях происходит следующее: вращающиеся вокруг своих продольных осей динамические несущие элементы (диски) 6 набегают на воздушный поток. При этом над каждым динамическим несущим элементом (диском) 6 (см. фиг. 3) по аналогии с авиационным крылом возникает зона пониженного давления, а снизу - зона повышенного давления, что обеспечивает подъемную силу летательного аппарата. Данная сила имеет место при углах атаки α, превышающих 0°. Кроме того, при одновременном вращении дисков 6 вокруг собственной оси и вокруг оси центрального вала 1 возникает гироскопический момент М, который действует на всю систему и зависит от угла атаки ″α″. Так, при α=0 М=0, а при α=90° гироскопический момент М имеет максимальное значение. В нашем случае угол атаки ″α″ ограничен пределами 0<α<45°. Данное ограничение обусловлено тем, что с повышением угла атаки α сила лобового сопротивления возрастает и достигает максимума при α=90°. При этом подъемная сила, обусловленная аэродинамическими силами, равняется нулю. Что же касается сил, действующих на систему вследствие возникновения гироскопического момента от вращающихся дисков 6 в двух направлениях, то тут происходит все обратно: при α=0 М=0, а при α=90° гироскопический момент ″М″ становится максимальным. Таким образом, меняя скорость вращения дисков вокруг собственной оси и вокруг центральной оси вала 1, а также меняя угол атаки «α» в заданных пределах 0<α<45°, можно управлять величиной подъемной силы. Помимо гироскопического момента при одновременном вращении дисков вокруг собственной оси, и вокруг оси центрального вала 1 при α=0 на систему в целом действуют также силы, обусловленные эффектом Магнуса. Для тонких вращающихся дисков, где площадь кромки диска по периметру мала, силы, обусловленные эффектом Магнуса, становятся незначительными. В этой связи влияние данных сил на величину суммарной подъемной силы летательного аппарата, в представленном материале не рассматривается.

Авторами проведена оценка величины подъемной силы Р₂ для одного диска, вращающегося одновременно вокруг собственной оси и вокруг оси центрального вала. При этом были приняты следующие условия:

радиус диска r=0,2 м; радиус инерции вращающегося диска r_ин=0,5r = 0,1 м; масса диска m=0,1 кг; расстояние от центра диска до оси центрального вала R=0,25 м; скорость вращения диска относительно собственной оси ω₁=100 об/сек (628 рад/сек); скорость вращения диска относительно оси центрального вала ω₁=10 об/сек (62,8 рад/сек); угол атаки принимаем 15°.

Используя известные расчетные формулы (С.М. Тарг. Краткий курс теоретической механики. - М.: Наука, 1968, с. 405-406), определили гироскопический момент вращающегося диска с учетом угла атаки по формуле:

где момент инерции диска (кг·м²).

Далее, по значению гироскопического момента М нашли величину подъемной силы Р₁, создающего одним диском

Затем, в соответствии со схемой, представленной на чертеже (фиг. 3) ,определили вторую компоненту подъемной силы Р₂, обусловленную аэродинамическими силами по классической формуле

где

С_у - коэффициент подъемной силы. Данный коэффициент представляет собой безразмерную величину, характеризующую подъемную силу крыла (диска) заданного профиля при заданном угле атаки. Для диска при угле атаки 15° принимаем С_у=0,3;

S - площадь диска, м²;

W - линейная скорость движения центра диска относительно оси центрального вала, м/с;

ρ - плотность воздуха.

Для рассматриваемого случая имеем: S=0,126 м², W=15,7 м/с, ρ=1,22 кг/м³ (при температуре воздуха 15°).

Подставляя исходные данные в искомую формулу для Р₂, находим

Суммарная подъемная сила, обусловленная гироскопическим эффектом и аэродинамическими силами, для одного диска составляет

Для системы, состоящей из четырех дисков, суммарная подъемная сила составит 343,2 Н (34,32 кГ).

Таким образом, проведенный расчет подъемной силы свидетельствует о том, что предложенный способ обеспечивает появление комбинированной тяги для летательного аппарата, обусловленной как аэродинамическими силами, так и гироскопическим эффектом. При этом существенно уменьшается коэффициент трения воздушного потока о плоскость вращающихся дисков, что в определенной степени повышает и КПД силового привода летательного аппарата.

В настоящее время проведены предварительные испытания способа на упрощенных моделях, в результате которых получены обнадеживающие результаты, которые будут использованы при создании пилотного варианта нового летательного аппарата, действующего на описанных выше принципах.

1. Способ создания подъемной силы для летательного аппарата путем вращения динамических несущих элементов вокруг собственной оси и одновременно вокруг центральной оси, перпендикулярной плоскости их вращения, отличающийся тем, что для создания подъемной силы в качестве динамических несущих элементов используют диски, из которых формируют отдельные группы, каждая из которых состоит из лежащих в одной плоскости пары дисков, при этом для создания подъемной силы летательного аппарата диски, входящие в каждую группу, вращают в противоположных направлениях и с различными скоростями, при этом для управления величиной тяги летательного аппарата угол наклона плоскости вращения дисков к горизонтальной плоскости меняют в пределах 0-45°.

2. Способ создания подъемной силы для летательного аппарата по п. 1, отличающийся тем, что группы дисков размещают концентрично центральной оси вращения на равных друг от друга расстояниях.