Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

REVERSIBLE REGIME OF SCREENED RING WING

Герасимов С.А.
Измерена подъемная сила, создаваемая активным двойным кольцевым крылом с радиальным обдувом.
The lift force created by an active double ring wing with the radial flow is measured.

Создатели современных летательных аппаратов нетрадиционных схем совершенно напрасно пренебрегают разработкой крыла. Летательные аппараты, не совсем корректно называемые "летающими платформами", в настоящее время по существу представляют собой упрощенные, в общем случае многороторные, варианты вертолета [1,2]. Кольцевое или дисковое крыло, присутствие которого характерно ранним разработкам [3], в последних проектах [4,5] не используется вообще. Причиной этого, судя по всему, является то, что роль этой существенной детали летательного аппарата осталась неизученной. Более того, оказалось, что в ряде случаев крыло играет паразитную роль, уменьшая подъемную силу воздушного винта [6]. К сожалению, этот вывод является достаточно поверхностным и, поэтому, справедлив далеко не всегда. Теоретический расчет таких схем пока остается достаточно сложной и неоднозначной задачей. А раз так, то единственным подходом, позволяющим оценить роль кольцевого крыла, является экспериментальное исследование.

На рисунке 1 показана простейшая схема экранированного кольцевого крыла. Это - летательный аппарат, представляющий собой тонкое кольцевое крыло 1 диаметром D, на расстоянии h от которого размещен экран 2 диаметром d. Обдув крыла производится туннельным воздушным винтом 3, размещенным в канале 4 диаметром c. Конструкция устройства, как видно, не является сколько нибудь оригинальной. Оригинальными и неожиданными являются экспериментальные результаты и их интерпретация.

Измерение подъемной силы F производилось при фиксированной потребляемой мощности двигателя 5, создающего обдув крыла, D=0,3м и с/D=0,23. Эталоном подъемной силы для данной экспериментальной установки является величина силы тяги |F∞|, создаваемая тем же винтом без крыла и экрана. Это дает возможность не только оценить роль крыла, но и применить экспериментальные результаты в проектировании летательного аппарата с любыми размерами крыла, экрана и зазора h. Имеет смысл подробно изучить два способа обдува крыла: прямой, при котором скорость воздуха в канале направлена вниз, и реверсивный, характеризующийся обратным направлением потока воздуха.

p

Рис. 1. Схема летательного аппарата c экранированным кольцевым крылом

Наиболее перспективным кажется прямой обдув крыла. В этом случае сила, действующая на воздушный винт, направлена вверх, а значит, должна вносить положительный вклад в полную подъемную силу такого летательного аппарата. Этого не случилось. Результаты, представленные на рисунке 2, достаточно ординарны. Полная подъемная сила меньше силы тяги, создаваемой воздушным винтом, а при отсутствии экрана она пренебрежимо мала. Правда, даже в том случае, когда размеры экрана совпадают с размерами крыла подъемная сила не только не равна нулю, но и имеет достаточно большое значение. Если расстояние между экраном и крылом около одно третьей диаметра крыла, подъемная сила почти равна F∞. Другими словами, пространство над воздушным винтом так называемой летающей платформы вовсе не обязательно должно быть свободно, например, винт может быть сверху закрыт эксплуатируемым экраном. В остальном применение прямого обдува крыла лишено смысла.

p

Рис. 2. Зависимость подъемной силы от диаметра экрана и величины зазора между экраном и крылом

Неожиданными и интересными являются результаты измерения подъемной силы, наблюдаемой при реверсивном обдуве крыла (рисунок 3). Во-первых, при сравнительно малых диаметрах экрана подъемная сила меняет знак при изменении величины зазора. Во-вторых, как и прежде подъемная сила имеет существенное значение даже в том случае, когда диаметр экрана совпадает с диаметром крыла. Третье и самое основное. Подъемная сила имеет экстремум. Максимум относительной подъемной силы F/|F∞| составляет величину около 0,55. Это происходит при d/D≈0,75 и h/D≈0,23. Совершенно очевидно, что такое поведение подъемной силы никак не связано с эффектом Коанда [7]. Этот эффект должен себя проявлять при малых значениях h.

p

Рис. 3. Результаты измерения подъемной силы при реверсивном обдуве кольцевого крыла

Может показаться, что реверсивный режим обдува не является эффективным: полная подъемная сила, как оказалось, в этом случае составляет лишь половину силы тяги воздушного винта. Не совсем так. При реверсивном обдуве крыло не только компенсирует силу тяги винта, направленную вниз, но и создает существенный профицит полной подъемной силы. А отсюда достаточно важный вывод. Становится актуальной разработка воздушного винта, обладающего малой силой тяги, но повышенным значением переносимой в единицу времени массы воздуха.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Goebel G. Twin Rotors Propel Personal Aircraft. // Machine Design. 1999. V. 19. No 8. P. 31-32.
  2. Robertson F.C., Stuart J., Alto P., Wagner R.A. Vertical Take-off Flying Platform. Patent USA No 2953321. Patented 20 sept. 1960.
  3. Zuk B. Avrocar: Canada´s Flying Saucer. - Ontario: Boston Mills Press. 2001. - 128 p.
  4. Бауэрс П. Летательные аппараты нетрадиционных схем.- М.: Мир. 1991. - 320 с.
  5. Rogers M. Vtol: Military Research Aircraft. - New York: Orion Books. 1989. - 248 p.
  6. Герасимов С.А. Подъемная сила плоского кольцевого крыла. // Техника и технология. 2006. № 3. С. 18-22.
  7. Фабер Т.Е. Гидроаэродинамика. - М.: "Постмаркет". 2001. - 543с.