Подводное или воздушное судно
Владельцы патента RU 2668780:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (RU)
Изобретение относится к подводным и воздушным судам с роторными движителями. Подводное или воздухоплавательное судно содержит прочный герметичный корпус и движитель, который выполнен в виде генератора вихревой пары. Корпус и движитель выполнены в форме соосных тонкостенных круговых или эллиптических тороидальных оболочек. Оболочка корпуса размещена внутри оболочки движителя, установленной с возможностью вращения вокруг оболочки корпуса с угловой скоростью до ω=Vmax/a, где Vmax - максимальная скорость поступательного движения судна, а - радиус поперечного сечения тороидальной оболочки движителя. Изобретение направлено на уменьшение лобового сопротивления и минимизацию потребляемой мощности в режиме движения с крейсерской скоростью. 1 ил.
Изобретение относится к гидро- и аэромеханике, а именно к подводным и воздушным судам с роторными движителями.
Известны подводные лодки [Прасолов, С.Н, Амитин, М.Б. Устройство подводных лодок. - М.: Воениздат, 1973. - 311 с.] и дирижабли, содержащие прочный герметичный корпус и движитель, например гребной винт или пропеллер, причем корпус и движитель смонтированы по раздельной схеме один за другим по линии движения и оба погружены в окружающую среду (вода или воздух). Тяговое усилие, создаваемое движителем, передается на корпус, в результате чего судно движется. Основным недостатком такой схемы судна является большое лобовое сопротивление корпуса судна, в первом приближении, пропорциональное квадрату скорости движения судна.
Известно принятое за прототип надводное судно с вихревым движителем [Авторское свидетельство Недоруб С.А., Остроухов Н.Н. Движитель транспортного средства. Патент №1533948, СССР заяв. №4286395/27-11 от 17.07.1987. Публ. 07.01.1990 №1], состоящее из одной или нескольких пар генераторов вихрей, выполненных в виде тел вращения, объем которых обеспечивает плавучесть судна. Корпус судна при этом расположен над водой, так что лобовое сопротивление (при одинаковом водоизмещении) оказывается на несколько порядков меньше, чем у традиционных судов.
Недостатком прототипа является невозможность использования его для подводных и воздушных (дирижаблей) судов.
Целью настоящего изобретения является уменьшение лобового сопротивления и потребляемой мощности подводных судов и дирижаблей с движителями в виде генераторов вихревых пар.
Поставленная цель достигается тем, что в подводном или воздушном (дирижабле) судне, содержащем прочный герметичный корпус и движитель, выполненный в виде генератора вихревой пары, и корпус, и движитель выполнены в форме вложенных друг в друга тонкостенных круговых или эллиптических тороидальных оболочек, причем оболочка движителя является внешней и установлена с возможностью вращения вокруг общей оси торов с угловой скоростью до ωmax=Vmax/а, где Vmax - максимальная крейсерская скорость движения судна, а - радиус поперечного сечения оболочки движителя.
Судно (фиг. 1) содержит корпус - 1, выполненный в форме прочной герметичной оболочки с неподвижно установленным в нем приводным двигателем и движитель - 2, выполненный в виде тороидальной оболочки, эквидистантной оболочке корпуса, располагающейся снаружи последней и кинематически связанной с приводным двигателем.
В качестве приводного двигателя, с точки зрения простейшей кинематической схемы привода, наиболее удобны бироторные двигатели, т.е. двигатели с вращающимися (во взаимно противоположных направлениях) и ротором, и статором вокруг фиксированной относительно корпуса устройства общей оси вращения, например бироторные электрические двигатели постоянного тока или трехфазные асинхронные. Цапфы опорных подшипников вала ротора выполнены в центрах дискообразных опор, которые по внешним периметрам неподвижно закреплены на внутренней поверхности корпуса устройства в виде двух сплошных или не сплошных перегородок корпуса.
Во вращение оболочку движителя приводит статор двигателя. Сцепление статора двигателя и оболочки выполняется известными способами, например посредством шлицевого соединения. Возможен и вариант, при котором секция оболочки движителя, на которую передается вращение статора, является частью приводного двигателя.
Ротор приводного двигателя в описанной кинематической схеме имеет кинематический момент, равный (и противоположный по направлению) кинематическому моменту совокупности «статор - оболочка движителя». Это условие выполнимо, например, посредством установки на вал приводного двигателя балансирующих маховиков, что, при необходимости, увеличивает момент инерции ротора.
Функционирование судна существенно различно в установившемся режиме (при движении с крейсерской скоростью) и в режиме начала движения (разгона) или, шире, вообще в режиме маневрирования.
В установившемся режиме оболочка движителя, вращающаяся с угловой скоростью ω, поддерживает существование в среде (воде или воздухе) тороидального вихря (термика) с завихренностью , где а - радиус поперечного сечения оболочки [Гельмгольц Г. Основы вихревой теории. - Ижевск: изд-во ин-та компьютерных исследований, 2002 - 82 с.]. Вихрь создает в окружающей среде специфическое течение с непрерывным распределением скорости среды (воды или воздуха) [Седов Л.И. Механика сплошной среды. Том 2. М.: Наука, 1970. - 568 с.] от максимальной на поверхности вращающейся тороидальной оболочки Vmax=ωа до 0 на бесконечности по закону V(r)=Vmaxa/r. Это соответствует постоянству по радиусу завихренности потока, так что во всей области течения, в том числе на поверхности судна, отсутствуют скачки скорости, что обуславливает отсутствие лобового сопротивления, связанного со скоростным напором набегающего потока. Сопротивление, обусловленное вязкостью, близко к таковому у традиционных судов.
Тороидальный вихрь (термик) вместе с расположенным внутри него судном движется с поступательной скоростью 
, где d - диаметр общей осевой линии тороидальных оболочек корпуса и движителя.
В режиме начала движения при наборе скорости от 0 до V время формирования тороидального вихря оценивается величиной 
, где μ - динамическая вязкость среды, ρ - плотность среды, δ - толщина погранслоя.
Мощность, потребная для движения с постоянной скоростью V, 
, а энергия, для формирования тороидального вихря, 
. Как показывает сравнение, потребляемая мощность судов с движителями предложенного вида в 107 раз меньше, чем у судов с традиционными движителями.
Источники информации
1. Прасолов, С.Н, Амитин, М.Б. Устройство подводных лодок. - М.: Воениздат, 1973. - 311 с.
2. Авторское свидетельство Недоруб С.А., Остроухов Н.Н. Движитель транспортного средства. Патент №1533948, СССР заяв. №4286395/27-11 от 17.07.1987. Публ. 07,01.1990 №1.
3. Гельмгольц Г. Основы вихревой теории. - Ижевск: изд-во ин-та компьютерных исследований, 2002 - 82 с.
4. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Том 2. М.: Наука, 1970. - 568 с.
Подводное или воздухоплавательное судно, содержащее прочный герметичный корпус и движитель, характеризующееся тем, что движитель выполнен в виде генератора вихревой пары, корпус и движитель выполнены в форме соосных тонкостенных круговых или эллиптических тороидальных оболочек, причем оболочка корпуса размещена внутри оболочки движителя, установленной с возможностью вращения вокруг оболочки корпуса с угловой скоростью до ω=Vmax/a, где Vmax - максимальная скорость поступательного движения судна, а - радиус поперечного сечения тороидальной оболочки движителя.
