Для наглядности, вспомним простую игрушку – небольшую полоску бумаги, которую демонстрировал Николай Егорович Жуковский в одноимённом фильме. Поднимем бумажную полоску повыше, закрутим, и отпустим её из любого горизонтального положения (Рис. 9.19.1).
Увидим, что вместо того, чтобы упасть на пол, полоска полетит в сторону.
Рис. 9.19.1. Игрушка Жуковского.
А теперь в качестве заявленного вихревого подъёмного винта рассмотрим конструкцию, состоящую уже из двух идентичных полосок.
В качестве полосок из опыта Н.Е. Жуковского используем прямоугольные пластиковые пластинки. Пластиковые пластинки жёстко соединены по узкой стороне с приводными валами.
Пластиковые пластинки принудительно вращаются в горизонтальной плоскости на одной общей оси, но в противоположных направлениях. Одновременно такая конструкция принудительно вращается 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.
В конструктивном плане сам вихревой машущий винт представлен на рис. № 9.19.2.
Рис. № 9.19.2. Вихревой машущий винт.
Принцип создания подъёмной силы такой конструкции основан на эффекте Магнуса — физическом явлении, возникающем при обтекании вращающегося тела (лопасти) потоком воздуха.
Образуется сила, воздействующая на вращающиеся лопасти и направленная перпендикулярно направлению потока. Вращающаяся лопасть создаёт в среде вокруг себя вихревое движение. С одной стороны лопасти направление вихря совпадает с направлением обтекающего потока и, соответственно, скорость движения среды с этой стороны увеличивается. С другой стороны лопасти направление вихря противоположно направлению движения потока, и скорость движения среды уменьшается. Ввиду этой разности скоростей возникает разность давлений, порождающая поперечную силу от той стороны вращающегося ротора, на которой направление вращения и направление потока противоположны, к той стороне, на которой эти направления совпадают.
При этом рассмотрим при работе такого винта ещё один занимательный факт. На рис. 9.19.3. представлены проекции движения как конца одной лопасти, так и самой лопасти по любому радиусу вращения (длине лопасти).
Рис. 9.19.3. Траектории движения концов лопастей
Не трудно заметить, что траектория движения лопасти повторяет траекторию движения крыла птицы при машущем полёте.
Некоторые из результатов экспериментальных работ:
- При такой 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.