Вибро-ротационный машущий ротор представляет собой попытку реализовать новый принцип формирования подъёмной силы – тороидально-вихревой, заимствованный у природы.
Комбинированное движение крыла, совершающее вращение и небольшие вертикальные колебания, подобные маятнику приводит к формированию вихревых тороидальных структур, необходимых для создания подъёмной силы.
Используя этот подход, становится возможным снизить нагрузку на двигатель, увеличить дальность полёта и уменьшить энергопотребление по сравнению с традиционными способами создания подъёмной силы.
Детали конструкции и схемы
Основой конструкции является относительное упругое крыло продольного профиля, напоминающее зубья гребенки.
Оно закреплено горизонтально и способно вращаться с углом атаки, равным нулю градусов. Главной особенностью конструкции является её способность совершать без внешнего воздействия дополнительные вертикальные колебания (махи), возникающие при достижении определенной частоты вращения.
Частота вращения регулируется механизмом привода, обеспечивая необходимую амплитуду и частоту маховых движений. Интенсивность таких махов увеличивается прямо пропорционально увеличению скорости вращения, что ведет к формированию различных вихревых структур, в том числе и тороидальных.
Формирующиеся вихревые структуры
При малой частоте вращения маховые движения практически отсутствуют, наблюдается лишь простое вращение, не дающее достаточной подъёмной силы.
Средняя частота вращения появляются умеренные маховые движения, сопровождающиеся появлением первого тороидального вихря, расположенного в непосредственной близости от центра вращения крыла.
Большая частота вращения — центральный тороидальный вихрь поднимается выше плоскости крыла, что сопровождается возникновением сильного центробежного воздушного потока над поверхностью крыла. Эта фаза характеризуется значительным увеличением подъёмной силы.
Важно отметить, что дальнейшее увеличение частоты вращения неизбежно приведет к резонансу и последующему разрушению конструкции, поэтому максимальная рабочая частота устанавливается ниже точки резонанса.
Визуализация и опыты
Для наглядности и доказательства правильности предложенного подхода были выполнены компьютерные симуляции и проведены реальные эксперименты на специальном стенде. Представленные рисунки иллюстрируют последовательность этапов формирования вихревых структур в зависимости от частоты вращения.
Рис. № 2. Фотография экспериментального стенда с установленным вибро-ротационным винтом.
Рис. № 3. Визуализации различных фаз формирования вихревых структур при разной частоте вращения.
Важные замечания и итоги
Эксперименты и расчёты показали, что регулируемая скорость вращения упругого крыла с «полу сотовой» формой позволяет эффективно воспроизводить подъёмную силу, аналогичную машущему полёту птиц. Регулировка частоты вращения и жёсткости крыла позволяет изменять характер вихреобразования и степень подъёмной силы, обеспечивая широкий диапазон возможных скоростей и рабочих характеристик.
Таким образом, лопастной вибро-ротационный способ представляет собой перспективное направление для создания энергоэффективных и экологически безопасных летательных аппаратов, заслуживающее внимания и дальнейшего изучения.
Современные представления о машущем полёте насекомых:
Машущий полёт насекомых является манёвренный, экономичный, устойчивый и быстрый. Траектория полёта большинства видов складывается из различных поворотов, коротких бросков в стороны, петель, неожиданных остановок, резких изменений высоты и т.п.
Крыло насекомых представляет собой мембрану, разные части которой обладают различной жесткостью: средняя часть крыла более жесткая, чем передняя кромка.
Скорость движения крыла насекомого даже во время установившегося полета в разные стадии цикла не является постоянной: она уменьшается до нуля в верхней и нижней точках удара, причем направление движения крыла в этих точках меняется на противоположное. Удар вверх/вниз, осуществляется быстрее, чем удар вниз/вверх в разные моменты времени.
Результирующая скорость движения крыла при машущем полете складывается из поступательной и колебательной, а само движение крыла на протяжении большей части крылового цикла не совпадает даже по направлению с движением всей системы (летящего насекомого). Далее, при машущем полете в разные фазы крылового цикла меняется (и весьма существенно!) угол атаки, а соответственно и аэродинамические силы, действующие на крыло. Более того, даже в одну и ту же фазу углы атаки разных сечений крыла оказываются различными.
К тому же удивительно то, что крыло насекомого создано анти аэродинамическим. Оно покрыто различными волосками, чешуйками, гребешками и другими образованиями.
Некоторые из этих образований являются органами чувств. Но большинство не несёт рецепторной функции. По мнению ряда исследователей волоски и щетинки могут являться своеобразными турбулизаторами, создающими микро вихри.
Современные представления машущего полёта птиц:
Все видели, как взлетают птицы с широким вогнутым крылом. Они взмывают с места, без разбега и даже могут поднимать дополнительный груз.
В 50-х годах нынешнего века ученик Н. Е. Жуковского профессор В. В. Голубев высказал мысль, что от крыла при взмахах отделяются вихри, которые образуют за машущим крылом вихревую дорожку.
При взмахах крыла несимметричного (вогнутого) профиля или профиля, имеющего некоторый начальный установочный угол, и особенно при неравномерных взмахах образуется так называемая косая вихревая дорожка. При этом увеличивается значение подъемной силы.
Опускаясь, крыло как бы сбрасывает с себя образовавшийся вихрь. При этом чрезвычайно важно, чтобы крыло двигалось с ускорением. Вихрь, получая импульс от крыла, отбрасывается, унося с собой энергию.
На нижней и верхней поверхностях крыла интенсивность образующихся вихрей различна. Она зависит как от геометрических характеристик профиля (вогнутости, толщины, угла установки), так и от характера движения (неравномерность взмахов). Например, профили вогнутые, широкие, такие, как у орла и глухаря, позволяют образовываться на нижней поверхности крыла очень интенсивным вихрям.
В зависимости от геометрических характеристик профиля – вогнутости, начального угла установки и т. д. – величина начального вихря в верхнем и нижнем положениях может быть различна. Разность этих величин и есть подъемная сила машущего крыла.
Интересные свойства вихревых образований хорошо объясняют, почему разрезные крылья, птиц, состоящие из отдельных перьев, кажется, совершенно не связанных друг с другом, дают возможность птицам летать. Приходилось наблюдать, как птицы, у которых в «веере» крыла недоставало одного, двух, трех перьев, благополучно летали.
Дело в том, что вихрь в силу своих свойств не имеет возможности просочиться сквозь решетку перьев. Он как бы катится по ней, как может катиться, например, капля воды по сетке, не просачиваясь сквозь нее.
Это всё прекрасно согласуется с экспериментом во время полёта, но не когда птица взмывает стремительно вверх или садится.
Гребенчатое крыло.
Прежде, чем приступить к рассмотрению вихревой модели машущего полёта — необходимо более подробно остановится на конструктивных особенностях крыла.
Интересные особенности строения крыльев насекомых и птиц, а именно:
— крыло насекомого создано анти аэродинамическим. Оно покрыто различными волосками, чешуйками, гребешками и другими образованиями, см. рис. № 9.18.1. Некоторые из этих образований являются органами чувств. Но большинство не несёт рецепторной функции. По мнению ряда исследователей волоски и щетинки могут являться своеобразными турбулизаторами, создающими микро вихри.
Рис. № 9.18.1. Поверхность крыла насекомого.
— Крылья птиц с задней части можно сказать – разрезные. Окончания состоят из отдельных перьев, а у некоторых кажется, совершенно не связанных друг с другом, дают возможность птицам летать. Или всем приходилось наблюдать, как птицы, у которых в «веере» крыла недоставало одного, двух, трех перьев, благополучно летали- натолкнули на мысль провести эксперименты с искусственным аналогом крыла с учётом выше сказанного, а именно: c гребенчатым крылом.
Гребенчатое крыло, см. рис. № 9.18.2, представляет собой плоскость, разрезанную поперёк на расстояние 1/3 ширины крыла.
Рис. № 9.18.2. Гребенчатое крыло
После проведения практических работ с крылом такого вида были обнаружены эффекты, о которых остановимся более подробно ниже.
Классическое, так сказать монолитное крыло не позволило обнажить такого эффекта.
Двух вихревая модель машущего полёта
Исходя из выше изложенного и на основании проведённых практических работ с так называемой гребенчатой лопастью предлагается новая вихревая модель машущего полёта птиц (при взлёте, посадке) и насекомых (на всём участке полёта).
Двух вихревая модель машущего полёта заключается в том, что машущий полёт осуществляется за счёт формирования каждым так называемым гребенчатым крылом одновременно двух связанных (контактирующих) между собой по оси симметрии вихревых расходящихся потоков с противоположными по знаку интенсивностями.
Принцип формирования вихревых потоков показан на рис. 9.18.3.
Рис. № 9.18.3. Вихревой машущий полёт и формирование вихревых потоков.
При этом, если два вихря имеют равные по величине, но противоположные по знаку интенсивности, то они сообщают друг другу равные по величине и одинаково направленные скорости, т.е. движутся поступательно. Условием поступательного перемещения является вязкость среды. Вихри взаимодействуют как упругие тела, но передают друг другу не импульс, а момент импульса прецессионного движения.
Направление поступательного движения в этом случае будет зависеть от интенсивности формирования одного вихря по отношению к другому, т.е. от интенсивности взмаха или хлопка крыла.
Основу вихревой модели машущего полёта составляет взаимодействие линейных расходящихся вихрей.
Для наглядности рассмотрим, как взаимодействуют друг с другом два цилиндрических вихря.
При вращении в газовой среде двух параллельно расположенных линейных вихрей между ними возникает силовое взаимодействие, рис. № 11.18.4. При этом взаимодействие будет определяться их направлениями вращения относительно друг друга. Если между вихрями провести плоскость симметрии, то легко видеть, что вихри своим вращением должны загонять газ из свободного пространства в область этой плоскости. Учитывая, что газ обладает плотностью и, следовательно, инерционностью, для того чтобы он двигался ускоренно в этом промежутке, его нужно сжать. Это приведет к тому, что плотность газа в этом промежутке окажется выше плотности газа в свободном пространстве, это повысит его температуру и давление. На вихри начинает действовать кроме смещения — линейного расталкивающая их сила.
Рис. 9.18.4. Силовое взаимодействие вихрей
Где:
F – сила, воздействующая на цилиндр в направлении, перпендикулярном направлению потока;
Р–давлений между вихрями;
Р∞– давление в свободном пространстве
Машущий полёт способен менять силы F1 и F2 и тем самым менять и направление перпендикулярной силы плоскости кольца, в ту сторону, в которую воздух вытекает из конуса
Особенности сформированным таким способом двух взаимодействующих между собой линейных расходящихся линейных вихрей:
1. Равномерное и прямолинейное движение линейного вихря имеет место лишь при действии на него другого линейного вихря такой же интенсивности с противоположным вращением.
2. Вихри взаимодействуют как упругие тела, но передают друг другу не импульс, а момент импульса прецессионного движения.
3. Вихри при взаимодействии не совершают работы и не проявляют инерции. Вихри не могут оставаться неподвижным. Они будут двигаться по направлению, перпендикулярному плоскости кольца, в ту сторону, в которую воздух вытекает из конуса. Это движение будет тем быстрее, чем больше интенсивность вихря и чем меньше размер кольца. Конус будет передвигаться равномерно, перенося за собой всю крутящуюся вокруг него воздушные массы.
В такой вихревой структуре на вихри будет действовать две силы.
Одна направлена на расталкивание вихрей вверх вниз.
Другая будут заставлять такую вихревую структуру двигаться по направлению, перпендикулярному плоскости кольца, в ту сторону, в которую воздух вытекает из конуса.
Исходя из наблюдений, что скорость движения крыла даже во время установившегося полета в разные стадии цикла не является постоянной. Удар вверх/вниз, осуществляется быстрее, чем удар вниз/вверх в разные моменты времени. Можно предположить, что в полёте формуются различные интенсивности или верхнего, или нижнего вихря. Тем самым изменяется выталкивающая сила одного вихря по сравнению с другим.
Таким образом, сила выталкивания одного вихря по сравнению с другим заставлять такую вихревую структуру двигаться по направлению, перпендикулярному плоскости кольца, в ту сторону, в которую воздух вытекает из конуса, и формируют общую подъемною сил машущего полёта.
К сожалению, технически реализовать машущий полёт с одновременным изменением скорости маха вверх или хлопок вниз в настоящее время на простых моделях затруднительно.
Интересные свойства вихревых образований хорошо объясняют, почему разрезные крылья, птиц, состоящие из отдельных перьев, кажется, совершенно не связанных друг с другом, дают возможность птицам летать. Вихрь не может просочится сквозь решётку , это как капли воды, соизмеримые с размером сетки не могут пройти сквозь сетку.
Исходя из выше изложенного испытано гребенчатое крыло- завихритель, см. рис. № 9.20.1.
Гребенчатое крыло представляет собой плоскость, разрезанную поперёк на расстояние 1/3 ширины крыла.
Рис. № 9.20.1. Гребенчатое крыло завихритель.
Испытания гребенчатого крыла в роторном махолёте показали увеличение подъёмной силы при одинаковых маховых движениях по сравнению с классическим крылом.
Подъёмная сила определялась косвенно по скорости вращения ротора махолёта — сначала с классическим типом крыльев, затем с гребенчатым типом крыльев.
Роторный орнитоптер — воздушное судно тяжелее воздуха, которое поддерживается в полёте за счёт реакций воздуха с его плоскостями, которым придаётся одноввременно вращательное и маховое движение.
Конструктивное исполнение (модель) роторного орнитоптера представлено на рис. № 5.1
Модель имела два типа движения — вращательное и возвратно-поступательное.
Рис. № 5.1. Роторный орнитоптер.
Привод:
— отдельный резиномотор для вращения .
— отдельный резиномотор для возвратно-поступательного движения .
Мощность резиномотора не позволила осуществить полноценный полёт, только подлёты.
В конструктивном плане гибкий винт представляет собой две полоски особо плотной ткани (в данном случае – брезента) в виде усечённого конуса с грузиками на концах (гибкие лопасти), способные принудительно вращаться в двух плоскостях.
Грузики на концах таких лопастей центробежными силами обеспечивают так называемую жёсткость винта и способность создавать подъёмную силу.
Для организации такого двухмерного вращения гибких лопастей изготовлено механическое устройство рис.14.1, способное организовать двухмерное вращение.
Механическое устройство состоит из принудительно вращающихся в разные стороны по центральной оси в одной плоскости концов “коромысла”, к которым прикреплены так называемые гибкие лопасти винта. Гибкие лопасти винта– это два листа особо плотной ткани в виде усечённого конуса с грузиками на концах. Само коромысло вращается одновременно в другой плоскости по своей центральной оси.
Рис. 14.1. Внешний вид гибкого винта
Концы «коромысла» вращаются в разные стороны со скоростью, в 4 раза большей, чем сам привод. Такая организация вращения обеспечивается за счёт установки одной общей конусной шестерни на общем валу привода с неподвижным общим зубчатым колесом с редукцией 1:4.
Эта общая конусная шестерня — неподвижна. За счёт того, что эта шестерня фиксируется в неподвижном состоянии, то за счёт вращения по ней так называемых конусных шестерёнок — сателлитов происходит вращение винтов в разные стороны для целей достижения заявляемого эффекта, рис 14.2.
Рис. 14.2. Двухмерное (замедленное) вращение гибкого винта в двух плоскостях.
ВЫВОДЫ:
1. Вращение такой конструкции только в одной радиальной плоскости формирует сильный радиальный воздушный поток безотносительно от первоначально случайно установленных углов поворота лопастей (углов атаки) так называемых гибких лопастей.
2. Вращение такой конструкции только в одной радиальной плоскости в зависимости от случайно установленных углов поворота лопастей (углов атаки) также формируется осевой поток, направленный одновременно как в одну, так и в другую сторону различной интенсивности.
3. Ситуация кардинально меняется, когда принудительно приводим во вращение так называемые гибкие винты одновременно в двух плоскостях.
3.1. Радиальный поток полностью отсутствует.
3.2. Осевой поток формируется с высокой интенсивностью и направлен исключительно в одну сторону. В данном случае при такой механической конструкции завихрителя — направлен вверх.
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.
Для преобразования был использован так называемый храповик от детской юлы.
В такой конструкции может быть несколько способов возвратно-поступательный привод винта сверху или с низу. Они эквиваленты.
Один из них опробован на практике. Винт закреплён неподвижно на оси вращения. Внутри оси вращения через храповик совершает возвратно-поступательное движение приводная тяга. При этом винта , вращаясь создаёт подъёмную силу, направлена вверх. Приводная тяга при этом воздействует вниз.
Если винт взять достаточно большим по диаметру, то при условии, если подъёмная сила винта будет больше приложенного вниз усилия на привод тяги можно добиться висения винта в воздухе при условии ритмического возвратно-поступательного движения приводной тяги. При этом можно утверждать, что такой винт становится машущим.
На маленьких винтах такое не возможно.
Экспериментальные работы по возвратно-поступательным приводам приведены здесь:
Проект “Вихри Хауса” — это авторская инициатива, направленная на исследование новых физических эффектов, разработку новых технологий и популяризацию науки.
