|
А.В.Никитин Почему
летают вентиляторы? Потихоньку обдумываю какую-то странную идею… Почему мы решили, что летать можно только так, как это делается сейчас? Самолетами и вертолетами. С их огромными двигателями, создающими тягу. С таким шумом и грохотом в сотню децибел… Да, понятно, физику не обманешь. На полет нужна энергия. Большая. Но, почему мы атакуем воздух «в лоб»? Ну, достигли скорости звука и обогнали его многократно, мощность авиационных двигателей достигла десятков Мвт, что дальше? Из применяемых движителей применяем только тянущий винт и реактивный принцип. В основе расчета подъемной силы – крыло. Получается, что за сто лет авиационной эры мы так никуда от основ и не ушли? Крыло, движитель, тяга, винт… и всё это – огромных размеров. На «подумать» …Прочитал в статье об изобретении швейцарских студентов [1]. Они взяли за основу вентилятор от компьютера или похожий, с высоким КПД. Один вентилятор поднять сам себя в воздух почти не может. А несколько штук, расположенных рядом по горизонтали, по одной плоскости и образующих общую поверхность – могут. И неплохо. Основная идея - их самосоединение в эту плоскость.
10 июня 2010 membrana Мощности одного вентилятора на полет еле-еле, но хватает, а вот управляемости … маловато. Сборка из вентиляторов этот вопрос решает. А я задумался о том, почему так? Почему один вентилятор может себя поднять в воздух, но он трудно управляем, а несколько – могут и подняться, и управлять ими уже проще… Главная составляющая реактивной тяги – отброс массы воздуха. Тут, почти как у ракеты …. - масса, умноженная на скорость и ометаемую площадь. Так нам всегда объясняют принцип действия вертолета. Но, с вентиляторами это не совсем проходит. Под плоскостью из нескольких вентиляторов образуется зона повышенного давления. Под одним вентилятором такая зона тоже есть, но воздух уходит быстро, а под несколькими воздух сразу уходить не успевает. Образуется воздушная подушка, на которой они держатся. И её достаточно для удержания в воздухе плоскости из вентиляторов, создающих это давление. В.И. Меркулов [5], объясняя принцип действия вертолетного винта, говорит о том же… Значит, это совсем не новость, просто забыли мы об этом, для простоты понимания. А вот еще один интересный проект. Цитата с сайта Е.Сорокодума[2]: «J.L. Naudin сделал летающую модель в форме зонтика. Подъемная сила образуется благодаря пропеллеру, который отбрасывает воздух вниз. Отбрасываемый воздух, по пути движения вниз, обтекает зонтообразную поверхность, на которой, благодаря эффекту Коанда, образуется дополнительная подъемная сила.» Очень красивое решение. На первый взгляд – парадоксальное. Реализация закона Бернулли на практике. Вентилятор сбрасывает воздух на купол. Поток движется по поверхности купола и создает на нем зону пониженного давления. Купол работает не изнутри, а снаружи. Создается не повышенное давление под куполом, а пониженное над ним… и тем создается необходимый перепад давлений. И подъемная сила. Она добавляется к тяге винта. Без купола, один вентилятор имеет худшие характеристики полета, хоть мощность и осталась та же…
Сложности понимания...Когда-то давно я рисовал крыло в набегающем потоке, разбирался в физике подъемной силы. Плоскость в набегающем потоке, отклонение потока от удара о плоскость…, это вниз, а эта часть – вверх, а потом - в вихрь, за точкой удара. Странно, профиль крыла в точности закрывает зону вихреобразования на крыле. Вот, почему он такой выпуклый… А потом решил проверить наличие подъемной силы выпуклого крыла при нулевом угле атаки. Ведь, если следовать теории, подъемная сила появляется от разности скоростей потоков над крылом и под ним, в следствии неразрывности потока… Оказалось, что при нулевом угле атаки никакой подъемной силы – нет. Значит, нет и разности скоростей. Что-то теория тут плохо работает… Тогда из всей теории остается только основа – набегание потока на тонкую пластину с каким-то углом атаки. И элементарная разность давлений. Поток ударяет в наклонную пластину и толкает её вверх, вот и вся подъемная сила. Качество крыла нужно для уменьшения лобового сопротивления потоку и сохранения его ламинарности при обтекании профиля крыла. Но, потом турбулентность все равно возникает. За крылом. При встрече нижнего и верхнего потоков с крыла. Вот тут согласия уже нет. Вихрь за крылом рисуют уже кто – как. У одних авторов он уводит поток вверх, у других – вниз. Почему? А тут все просто. Если автор уверен в разности скоростей потоков, то результирующий вихрь просто обязан отклониться вниз, потому, что скорость верхнего потока больше. И закручивание вихря идет под крыло… Если же автор убежден в наличии зоны высокого давления под крылом, то результирующий вихрь за крылом закручивается вверх, нижний поток ищет выход и давит сильнее верхнего… Мы все это читаем, смотрим, и всему верим. Вот только уже перестаем понимать. Хотя, стоит нам посмотреть на спутный след самолета, как всё встает на свои места. Ни вверх, ни вниз поток не отклоняется, и устойчивого вихря никакого нет. Есть зона турбулентности, остающаяся в воздухе за пролетевшим самолетом. Вихрь введен только для упрощения расчетов, чтобы хоть как-то учесть турбулентность… А вот воздух, после удара о крыло все же уходит вниз, тут крыло и лопасть винта работают одинаково… Так что же осталось? Разность давлений. Под крылом и над ним. Больше ничего. Разность давлений, умноженная на площадь крыла и дает оценку подъемной силы. А разность давлений создается углом атаки крыла к набегающему потоку. Это главное. Но, не так всё просто, как это может показаться. Наука тут свой хлеб отрабатывает. Процесс это динамический, учесть надо много факторов. Гидроаэродинамика сложна даже в основах. И успехи в этом направлении доказывают обоснованность теории. А вот нам, дилетантам, понимания бы побольше…, чтобы сказки друг другу не рассказывать. Столько статей появилось с откровенно сказочными вариациями на тему различных летательных аппаратов, что становится грустно… И вопрос не в новизне предлагаемых принципов, тут, как раз, все готовы и понять, и принять, и ошибки некоторые простить, мы же дилетанты, а в элементарном незнании основ физики. Среди этого бреда находить более или менее обоснованные идеи становится все сложнее. Вот теперь о том, что собственно, обдумывается…
Воздух, как вода…Когда-то, читая книгу по аэродинамике, я обратил внимание на замечание автора о размерности моделей. Даже не совсем на это, сколько на то, что для летящего комара воздух имеет примерно такую же плотность, как для нас – вода…, сравнение, понятно, только примерное, но модель должна учитывать эту относительную величину. Потому комар и обходится небольшими крыльями, относительно своих размеров и массы, а нам, даже для парящего полета надо строить - огромные. И мощность зависания растет в кубической прогрессии, относительно изменения массы летящего объекта. Комар в воздухе весит меньше, потому, что воздух для него плотный. Как и мы - в воде. Сила тяжести никуда не делась, но плотность среды её компенсирует. Масса есть, а вес? Но и двигаться в плотной среде сложно. Медленные движения больших затрат энергии не требуют, а вот быстрые совершать трудно. Это требует энергии. Как в этих условиях оценить эффективность использования мощности движителя у комара и вертолета? Что лучше, махать огромным винтом или маленькими крылышками? Один или миллион?Мы подошли к той степени развития технологий, когда уже можно ставить такие вопросы. И решать их. Как будет эффективнее: один большой несущий винт или миллион комариных крыльев, при одинаковой суммарной потребляемой мощности? Вот теперь мы вернемся к вентиляторам и схеме Наудина. Эффективность этих разработок увеличивается при уменьшении размеров элементов и увеличении их количества в составе летающего объекта. При условии сохранения одинакового КПД двигателя привода. Сотня маленьких вентиляторов более эффективна, чем один несущий винт вертолета при одинаковой ометаемой площади. Они создадут необходимую разность давлений с меньшими потерями. И с меньшим уровнем шума. Один комар или даже четыре, на один квадратный сантиметр, это все же не 130 дб звукового давления от турбины самолета или вертолета… Перепад давлений в 0,02атм дает 20г /см2. Много это или мало? На 10 м2 это 0,02*100000 = 2000кг. И это на площади среднего «ковра-самолета» с размерами 3х4 метра. Реально будет меньше, пусть вполовину, все равно – достаточно… для оценки эффективности. Рост мощности пропорционален росту ометаемой площади, что очень важно. Без кубической зависимости. Потому, что размеры элементов не изменяются. Растет только их количество. Применение схемы Наудина в каждом элементе еще более увеличивает эффективность всей многоэлементной плоскости перепада давлений. Купол или зонтик тут решает сразу две задачи: создает дополнительную подъемную силу и направляет поток не вниз, а в стороны, под плоскость. Это только улучшает условия образования зоны высокого давления под плоскостью перепада и снижает скорость оттока воздуха из зоны. В том числе и при поломке элемента плоскости. Не сильно, но… все же какая-то преграда прямому потоку есть. Рис.1. Плоскость перепада давлений. Предлагаемая схема создания подъемной силы для плоскости (рис.1.) не предполагает высоких скоростей перемещения. Это, я думаю, понятно. Для скоростных моделей надо создавать соответствующую форму плоскости перепада давлений. Уточнять положение центра масс и его смещение. Но это уже другая задача… Уменьшение размеров элементов плоскости перепада давлений приводит и к переоценке эффективности применяемых движителей. И вполне возможно, что вместо винта лучше будет применить машущее крыло, а то и «рыбий хвост»… с виброприводом. Тут уже применение диктуют размеры. С уменьшением размера модели элемента относительная плотность воздуха растет, это мы помним… Екатеринбург Июнь 2010г Литература:1. Трёхколёсные
вентиляторы учатся летать встык http://www.membrana.ru/articles/technic/2010/06/10/191300.html 2. Сайт Е.Д. Сорокодума http://www.vortexosc.com/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=76 3. Сайт Е.Д. Сорокодума http://www.vortexosc.com/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=86 4. Эффект Коанда http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D0%9A%D0%BE%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D1%8B 5.
В.И. Меркулов. Гидродинамика знакомая и незнакомая. М, Наука 1989г. 6.
П.Н Солярник, М.Л. Сургайло, В.В. Чмовж Экспериментальная аэродинамика http://girkay.ho.ua/Stud/Exp_Aero.pdf 7.
|
