Авиационная и ракетно-космическая техника
Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов
Герасимов С.А., кандидат физико-математических наук, доцент Ростовского государственного университета
ФОРМА КРЫЛА ДИСКОВОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Измерена подъемная сила, создаваемая радиальным обдувом плоского и скошенного экранированного кольцевого крыла.
Первые результаты испытаний принципиально нового летательного аппарата, использующего эффект экранирования кольцевого крыла [1], судя по всему, являются предварительными. Во-первых, осталось неясным, какова должна быть скорость вращения воздушного винта для обеспечения необходимой подъемной силы такого летательного аппарата. Приведенная величина, представляющая собой отношение подъемной силы к силе тяги уединенного воздушного винта, мало, о чем говорит. Очевидной стала лишь высокая эффективность такого устройства. Во-вторых, осталось до конца не изученным влияние формы крыла на величину подъемной силы. Ясно лишь, что трапециевидное [2] и коническое [3] крылья не исчерпывают всех возможностей, предоставляемых изменением формы кольцевого крыла. Качественных рассуждений [4], привлекающих в том числе и эффект Коанда [5], здесь не достаточно. Существует мнение, согласно которому мощность двигателя, производящего обдув крыла с профилем, должна быть чрезвычайно большой [6]. Поэтому заслуживают внимание в основном экспериментальные исследования, а не качественные измышления, ограниченные только четырьмя способами создания подъемной силы. По крайней мере, это так, пока мы не научились рассчитывать такие аэродинамические системы.
Рис. 1. Дисковый летательный аппарат
Летательный аппарат представляет собой скошенное кольцевое крыло W диаметром D, на расстоянии h от которого установлен плоский экран S диаметром d. Параметры крыла: разность радиусов плоской поверхности крыла - w, высота скоса - H. При H=0 крыло является плоским. Воздушный винт P - центробежный, шестилопастный. Высота каждой лопасти - b, ширина - а. Диаметр воздушного винта практически совпадает с внутренним диаметром экрана и равен с. Все приведенные ниже экспериментальные результаты соответствуют параметрам: D = 0.12 м, с = 0.025 м, b = 0.009 м, а = 0.009 м, H/D = 0.1 и w/D = 0.2.
При частоте вращения v = ш/2п = 100 Гц скорость v = шс/2 составляет 7,9 м/с, что соответствует числам Рейнольдса
Ке=£^7.104 (1)
где р - плотность воздуха, ц - его вязкость. С другой стороны, известно, что приведенная подъемная сила F/D2v2 должна зависеть только от числа Рейнольдса (1). Более того, при Re>104 эта зависимость является очень слабой. Поэтому в первом приближении имеет смысл считать, что отношение подъемной силы F к четвертой степени характерного размера системы F/D4 зависит только от угловой скорости вращения воздушного винта и геометрических параметров системы. Угловая скорость из этого отношения удалена не случайно, - чтобы продемонстрировать зависимость подъемной силы от частоты вращения воздушного винта. Другими словами, чтобы обобщить экспериментальные результаты, полученные при изучении модели, на случай любых разумных размеров, надо их представить в виде зависимостей F/D4 от относительных размеров h/D, либо d/D. Такие зависимости показаны на рис. 2-4.
Рис. 2. Зависимость подъемной силы дискового летательного аппарата со скошенным (о) и плоским (•) крылом от угловой скорости вращения воздушного винта и величины зазора при слабом экранировании (ё/Б=1/2). Точки - экспериментальные результаты, линии - зависимости ¥~сз2.
Оказалось, что с небольшим экраном (ё «Б/2) зазор И может составлять небольшую величину, если крыло является скошенным. Для обоих крыльев максимальное значение отношения Г/Б4 составляет примерно 132 Н/м4. То есть при диаметре экрана Б = 3 м такое устройство способно поднять груз массой 132-81/9.8 «1090 кг. При этом, правда, частота вращения воздушного винта должна составлять около 240 оборотов в секунду. Промежуточное экранирование (ё «2Б/3) является наиболее выгодным для плоского крыла. Для него максимальное значение отношения Г/Б4 при той же частоте вращения равно 150Н/м4 и соответствует зазору ё «Б/4.
Рис. 3. Подъемная сила дискового летательного аппарата с промежуточным экранированием кольцевого крыла
Результаты измерения подъемной силы при сильном экранировании (ё ^5^/6), представленные на рис. 4, подтверждают, похоже, всего лишь одно обстоятельство: оптимальным для плоского крыла является режим, близкий к промежуточному экранированию. Если же условия устойчивости, эксплуатации и экономичности требуют применения скошенного крыла, то имеет смысл обеспечить слабое экранирование. При этом подъемная сила будет примерно в полтора раза меньше максимально возможной для данного метода, однако допускает уменьшение зазора до разумной величины к = 0.Ш и даже меньше. Значение к = П/4, соответствующее максимуму подъемной силы, все-таки, кажется очень большим. Это, в свою очередь, провоцирует дальнейшие исследования, посвященные оптимизации скошенного крыла. Параметры, при которых проводилось сравнение плоского и скошенного крыльев, являются далеко не оптимальными.
Рис. 4. Подъемная сила кольцевого крыла с почти полным экранированием
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Герасимов С. Дисколет: четыре принципа и четыре эксперимента. // Инженер. - 2006. -№ 11. - С. 6-8.
2. Герасимов С.А. Кольцевое крыло. // Авиация общего назначения. - 2006. - № 8. - С. 23-26.
3. Герасимов С.А. Динамика активного конусного крыла. // Современные проблемы науки и образования. - 2006. - № 6. - С. 76-77.
4. Блин Е. Четвертый способ. // Авиация общего назначения. - 2002. - № 12. - С. 19-24.
5. Фабер Т.Е. Гидроаэродинамика. - М.: «Постмаркет». 2001. - 543 с.
6. Шувалов А. По поводу четвертой силы. // Авиация общего назначения. - 2002. - № 12. - С. 25.
7. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 1. - М.: «Лань». 2004. - 528 с.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.