Патент на изобретение №2296084

(54) СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ПОЛЕТА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области аэродинамики и может быть использовано при конструировании летательных аппаратов, при организации перемещения судна в водной среде. Понимание механизма формирования регулярных структур позволяет найти условия, при которых ось естественно формируемых вихрей будет направлена не по потоку, а под любым требуемым по условиям течения углом. Бесконечная последовательность искусственно созданных вихрей является аналогом роликового подшипника, расположенного между телом и средой. В изобретении, на основе предложенной модели обтекания непрерывными средами твердых тел, предложен способ создания подъемной силы для летательного аппарата. Способ заключается в создании на верхней поверхности крыла детерминированных вихрей, направляемых в надкрылок и разрушающихся в нем. Катящиеся без скольжения по верхней поверхности крыла вихри увеличиваются в размерах. Попадая же в надкрылок, вихри попадают в условия скольжения. Их разрушение в пределах надкрылка ведет к локальному повышению давления, что и создает для летательного аппарата подъемную силу. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области аэро- и гидродинамики и без ограничений может быть использовано при обтекании технических устройств, как жидкой, так и газообразной средой. При создании детерминированных вихрей требуемого направления за счет энергосбережения может быть достигнут значительный экономический эффект.

Современные летательные аппараты формируют подъемную силу требуемой величины за счет площади своих крыльев. В то же время современные достижения при изучении тонкой структуры ламинарного подслоя турбулентного пограничного слоя № 2146779 [1], 2159363 [2] позволяют по иному взглянуть и на механику плавания и полета живых существ, чем это проделано в работе 2110702 [3], кл. F 16 D 1/00. Находки же живой природы наталкивают и на идею изобретения при организации полета летательных аппаратов.

Вся современная техника основана на принципе формирования ламинарного обтекания технических устройств путем создания совершенных аэродинамических форм. В то же время существует возможность резкого уменьшения затрат энергии на организацию движения технических устройств любого типа путем формирования вспомогательным устройством детерминированных вихрей, двигающихся по обтекаемой поверхности в направлении, требующемся для создания оптимальной величины энергозатрат. Создание в пристеночном слое детерминированной, искусственно созданной последовательности вихрей переведет текучую среду в состояние, близкое к состоянию сверхтекучести.

В технике уже неоднократно предпринимались попытки снижения тем или иным способом аэрогидродинамического сопротивления движению тела в водной или в воздушной среде. Одной из этих попыток является и логика, примененная в патентах № 2146779 [1], 2159363 [2], 2110702 [3], кл. F 16 D 1/00. На основе экспериментально проведенных работ [1], [2] в обсуждаемых патентах предлагается способ сокращения энергозатрат на организацию течения путем взаимодействия подаваемых извне синусоидальных возмущений потока с экспериментально обнаруженными когерентными структурами, расположенными в непосредственной близости от обтекаемой поверхности.

Проведенными экспериментальными исследованиями [1], [2] авторами патентов было обнаружено, что в потоке среды, обтекающей неподвижное тело, регулярно появляется и регулярно разрушается когерентная структура из расходящихся парных вихрей. При этом ось вращения всех вихрей направлена по потоку. Сами же они вращаются, а следовательно, и расходятся в направлении, перпендикулярном направлению потока. А т.к. поток их сносит, то траектории вихрей очередной когерентной структуры в промежутке ее существования приобретают вид елочек, с углом наклона траекторий вихрей, зависящим от его скорости движения.

Основная часть вихрей разрушается через какое-то время. Но некоторые из них ось своего вращения изменяют из горизонтальной на вертикальную, вынося медленно двигающуюся массу среды в быстро перемещающийся поток пограничного слоя, этим самым турбулизуя его. Переход же от ламинарного потока к турбулентному увеличивает аэродинамическое сопротивление примерно на 40%.

Предлагаемым же в обсуждаемых патентах приемом преследовалась цель ламинаризации потока. Ведь экспериментально обнаруженная структура из парных вихрей носит регулярный характер. И можно надеяться, что специально подобранные звуковые колебания или регулярно расположенные бугорки на поверхности обтекаемого тела будут взаимодействовать с этой структурой из парных вихрей.

Поэтому основной технической идеей патентов является надежда на то, что взаимодействием регулярно подаваемых возмущений с вихрями потока будет задушен механизм изменения оси вращения вихрей с горизонтальной на вертикальную. И вместо турбулентного характера поток будет иметь ламинарный характер, в связи с чем потери энергии на преодоление сопротивления среды упадут на 40%. Но вместо ожидаемых 40% экспериментальные результаты дали уменьшение сопротивления всего на 7%.

Надежды авторов обсуждаемых патентов были бы оправданы, если когерентные структуры из расходящихся вихрей возникали бы в потоке только в момент его турбулизации. Но ничто не говорит о том, что когерентные структуры из расходящихся вихрей отсутствуют в ламинарном течении. Исследования авторов говорят ведь только о том, что поток турбулизуют только отдельные, искривляющие ось своего вращения, вихри из объективно существующих и до этого когерентных структур из парных расходящихся вихрей. Кстати, и в ламинарном, и в турбулентном потоке потери на вязкое трение, по мнению авторов настоящего изобретения, и являются потерями энергии на регулярное создание и разрушение когерентных структур из парных расходящихся вихрей.

Поэтому подача в поток синусоидальных колебаний с параметрами, близкими к параметрам когерентных структур из расходящихся вихрей, не должна давать значимого эффекта. Ведь объективность возникновения когерентных структур в ламинарном подслое пограничного слоя не позволяет надеяться на возможность их хотя бы частичного, а тем более полного уничтожения. Но если вихри нельзя уничтожить, то нельзя ли попытаться их использовать? Живая природа и поставляет нам примеры использования возникающих в потоке вихрей.

Описанные в работе [3] исследования свидетельствуют о том, что летающие существа создают подъемную силу как во время взмаха вниз, так и во время взмаха вверх. По мнению же авторов настоящего изобретения, механизм создания подъемной силы во время взмаха вверх заключен в том, что, скажем, птицы с пользой для дела используют в своем полете искусственно ими созданные парные вихри, возникающие при взаимодействии деталей их крыльев с обтекающим их тела потоком воздуха. Об этом свидетельствует и неоднократно упоминаемый в работе [3] эффект схода вихрей с задних кромок крыльев птицы.

При обтекании неподвижной стенки потоком воздуха в ламинарном подслое пограничного слоя с объективной неизбежностью формируется когерентная система из парных вихрей. Для оптимальной же организации полета птице требуется сформировать не систему парных вихрей, а всего лишь одну пару расходящихся вихрей, каждый из которых и сходит с соответствующего крыла. Остальные же вихри из когерентной системы должны быть задавлены. Поэтому тело птицы в полете имеет форму, близкую к стреловидной, существенную роль в которой имеет клюв, формирующий вершину стрелы. Причем в зависимости от скорости полета стреловидность их тела изменяется, что и демонстрирует фиг.1 – зарисовки попугая при медленном (а), среднем (б) и быстром (в) по скорости полете, заимствованная из работы [3].

В вершине стрелы не может сформироваться когерентной системы расходящихся вихрей, а может образоваться только одна их пара. Каждый из образованных вихрей без помех доходит до соответствующего крыла. Для того же, чтобы вихри на крыле не разрушились, динамика взмаха крыла вверх должна иметь вполне определенный механизм, проталкивающий вихрь дальше по поверхности крыла.

И действительно, крыло не поднимается вверх как единое целое, а начинает готовиться к взмаху вниз. В завершающий момент фазы взмаха вниз маховые перья крыла уходят вниз для того, чтобы уменьшить площадь крыла при его подъеме вверх. Этой же цели служит и изгиб крыла в лучезапястном суставе. Но при завершении движения крыла вверх оно должно быть готовым для совершения движения вниз: т.е. иметь соответствующий угол атаки.

Поэтому концы маховых перьев крыла формируют при взмахе вверх бегущую по его поверхности волну. При этом требуемый для взмаха вниз угол атаки крыла начинает формироваться от тела птицы, бегущей волной перемещаясь в направлении кончика крыла. Наиболее четко этот механизм можно наблюдать при взгляде сверху на летящую птицу. Но этот же вывод позволяет сделать и анализ кадров скоростной киносъемки (также заимствованных из работы [3]), приведенных на фиг.2. – полет голубя.

При этом существенную роль в формировании клювом пары вихрей играет резкое движение крыльев в лучезапястном суставе в конце взмаха вниз, четко видное на кадрах фиг.2. Ведь пара вихрей должна формироваться клювом при любой скорости полета. Т.е. и при медленном, и при быстром полете клюв обязан сформировать пару вихрей быстрее, чем на плоскости крыла сформируется когерентная система парных вихрей. Этому и способствует резкое движение конца крыла вниз в конечной стадии движения крыла вниз как единого целого.

Бегущая же по крылу волна из маховых перьев толкает перед собой соответствующий вихрь, не давая ему разрушиться и сообщая ему дополнительную кинетическую энергию. И вихрь, сформированный клювом, пройдя по верхней поверхности крыла, сходит с заднего его конца. Т.е. при взмахе вверх на верхней поверхности каждого крыла птицы трение скольжения заменяется этим самым трением качения. На нижней же поверхности крыла при взмахе вверх все так же действует трение скольжения. Ведь опущенные вниз маховые перья крыла создают при взмахе вверх дополнительное сопротивление, ускоряя этим самым формирование на нижней поверхности крыла когерентной системы вихрей.

Разность действующих на разные поверхности крыла сил трения качения и трения скольжения и формирует подъемную силу в фазе взмаха крылом вверх. При взмахе же крылом вниз и подъемная сила, и тяговое усилие формируются стандартным аэродинамическим приемом путем использования требуемого угла атаки. Таким образом, птицы во время полета эффективно используют явления, возникающие при обтекании их тела потоком воздуха.

Описанные в работах [1], [2] когерентные вихри ламинарного подслоя пограничного слоя имеют малые размеры. Сходящие же с крыльев птиц вихри имеют уже макроскопические размеры, что и позволяет их обнаружить. Т.е. мускульные усилия птицы по перемещению вихря по поверхности крыла ведут к увеличению его размеров. И замена когерентной системы вихрей на перемещение по крылу одиночных вихрей сопровождается затратами энергии.

При сходе же вихря с крыла птицы эта энергия пропадает впустую. Но накопленную в вихрях кинетическую энергию можно ведь и использовать. И живая природа предоставляет нам пример подобного использования. А этим примером является организация жуками механизма своего полета.

Законы современной аэродинамики неспособны объяснить, что же позволяет летать жукам. Ведь площади их крыльев совершенно недостаточно для создания подъемной силы, позволяющей удержать в воздухе их вес. Но по мнению авторов настоящего изобретения, эволюция позволила жукам эффективно использовать накопленную в вихрях энергию, которая бесполезно тратится птицами при их сходе с задних частей крыльев.

В отличие от других насекомых передние крылья жуков эволюция преобразовала в жесткие надкрылки, которые не участвуют в маховых движениях задних крыльев. На первый взгляд жесткие надкрылки вроде бы совершенно бесполезная деталь строения жуков. Но если учесть существование расходящихся парных вихрей, то надкрылки должны играть существенную роль в организации полета жуков.

При этом если птицы подготовку к фазе взмаха вниз начинают от своего тела, то, по мнению авторов, жуки этот прием обязаны начинать от кончиков крыльев. Соответственно, вихри, формируемые на кончиках крыльев жуков, направляются к их телу, попадают в надкрылки и разрушаются в них. Поглощенная надкрылками кинетическая энергия вихрей и создает дополнительную подъемную силу, что и позволило жукам уменьшить площадь их крыльев.

По мнению авторов настоящего изобретения рыбы при организации своего плавания используют сочетание приемов, использованных птицами и жуками. Головой рыбы формируется пара расходящихся вихрей, которые двигаются по ее бокам. И птицы, и рыбы сопровождают сформированные вихри бегущей волной. При этом роль маховых перьев птиц, формирующих бегущую волну, играет (вроде бы бесполезная на первый взгляд) рыбья чешуя либо мышечные волны, скажем у дельфинов.

И к хвостовой части рыбы вихри достигают макроскопических размеров. И при махе хвостом от центрального положения наружу рыба использует кинетическую энергию вихрей, достигших к этому моменту хвоста. С одной стороны хвоста вихрь сходит с него без разрушения, заменяя трение скольжения трением качения. С другой же стороны хвост формирует аналог надкрылка жука, в котором и разрушается соответствующий вихрь. Соответственно, при махе хвостом в одну сторону с него сходит вихрь одного направления вращения. При махе же хвостом в другую сторону с него сходит вихрь другого направления вращения.

Движение же рыбьего хвоста из крайнего к центральному положению соответствует маху крылом птицы вниз. При движении же от центрального положения в крайнее рыбий хвост ловит соответствующую волну с одной стороны тела, дошедшую до него от головы, и разрушает его. Поэтому в этой фазе движения с одной стороны хвоста работает трение качения, а с другой – трение скольжения. Разность возникающих при этом сил и формирует тяговое усилие.

Целью изобретения является разработка способа организации полета летательных аппаратов, использующего принципы его организации, найденные живой природой.

Сущность изобретения и его отличительные черты.

Т.к. движители живых существ выполняют одновременно несколько функций, то, скажем, те же жуки не способны организовать на обеих поверхностях своих крыльев движение вихрей в одном направлении. Изменением формы крыла они формируют движение вихрей требуемого направления только на одной из его поверхностей.

К тому же и птицы, и жуки не занимаются изменением деталей тонкой структуры ламинарного подслоя пограничного слоя. Усложнением движения своих крыльев они организуют только требуемую длительность существования искусственно ими созданных одиночных вихрей, избавляясь этим одновременно и от формирования когерентной структуры расходящихся вихрей. Поэтому при малых затратах энергии они достигают больших скоростей полета.

В наших же рукотворных летательных аппаратах функция движителя и функция поддержания аппарата в воздухе разделены. И на создающих подъемную силу крыльях неизменной формы формируется естественная в таких условиях когерентная система вихрей, регулярное разрушение и формирование которой сопровождаются вязкими потерями энергии.

Для создания же последовательности одиночных вихрей требуемого направления движения, заменяющих трение скольжения трением качения, мы обязаны вводить в конструкцию летательного аппарата отдельное устройство, которое способно создавать вихри требуемого направления на одной или обеих поверхностях крыла.

Поэтому сущностью и отличительной особенностью настоящего изобретения является такой способ организации обтекания средой летательного аппарата, при котором трение скольжения на его крыльях заменяется трением качения при помощи формируемой последовательности детерминированных одиночных вихрей. В одном из вариантов вихри двигаются в направлении надкрылков, расположенных либо у корпуса летательного аппарата, либо на концах его крыльев или в средней их части. Причем надкрылки являются существенной деталью рассматриваемого из варианта способа, позволяющей увеличить значение подъемной силы.

И следуя подсказке живых существ, нам необходимо формировать последовательность одиночных вихрей, а не использовать естественно возникающие в полете вихри. Для формирования же этой последовательности необходимо понять механизм возникновения когерентной системы парных расходящихся вихрей, что поможет в выборе формы сигнала, позволяющего формировать одиночные детерминированные вихри с требуемым направлением движения. Согласно же представлениям авторов настоящего изобретения этот механизм можно описать следующим образом.

Современная аэрогидродинамика покоится на представлении текучих сред в качестве сред непрерывных. В то же время общеизвестно, что жидкие среды, а также газообразные среды (последние хотя бы в непосредственной близости от поверхности твердого тела) являются поликристаллическими структурами, обладающими ближним порядком, достаточно быстро изменяющими свое мгновенное состояние.

Поликристаллическая же структура любой среды является не непрерывным, а дискретным образованием. И при перемещении выделенного ее элемента с одного места на другое необходимо учитывать возможности окружения по предоставлению ему свободного объема для перемещения. Т.е. рассмотрение течения дискретных сред требует рассмотрения поведения не только самих материальных частиц, но и учет наличия свободного объема между ними. Необходимость же учета наличия свободного объема заставляет отнести процесс течения к классу кооперативных явлений.

Наиболее характерный, детально описанный пример течения дискретных сред представляет течение сыпучих сред, описанное в работе [4] (С.Б.Стажевский, А.Д.Ревуженко. О кинематике движения сыпучих материалов относительно жестких поверхностей. – Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1975 г. № 1, стр.86-88). При истечении сыпучих материалов через отверстия бункеров горно-обогатительных фабрик [4] свободного объема между песчинками или обломками породы недостаточно для того, чтобы для целей течения переместить тот или иной элемент сыпучей среды на свободное место. Поэтому в сыпучих средах свободный объем среды обобществляется, обеспечивая кооперативные нужды как обратимых, так и необратимых деформаций.

Обобществление же в каких-то пределах свободного объема выливается в формирование в среде динамических, упругих структур (для определенности назовем их агломератами), которые деформируются при течении как единое целое. В зависимости от условий течения формируется вполне определенный средний размер агломерата. Т.е. для обеспечения течения свободный объем обезличивается, объединяясь в пределах агломерата, без затрат энергии свободно перемещаясь в требуемое по условиям течения место.

С течением времени обломки от разных агломератов объединяются, вновь формируя более крупные образования, которые с течением времени делятся вновь. Т.е. при течении сыпучих сред «обратимые» деформации агломератов соседствуют с их «необратимыми» деформациями, разрушающими существующую агломератную структуру среды. Последние же и представляют непосредственное течение сыпучей среды.

Очевидно, что и в пограничном слое непосредственно у поверхности обтекаемого твердого тела также должны формироваться агломераты из микрокристалликов соответствующей среды (объединяемые в единое целое обобществленным свободным объемом). А т.к. любая кристаллическая структура обладает определенной прочностью, то на границе с поверхностью твердого тела среда может либо скользить по поверхности, либо прилипать к ней.

Но среда не может одновременно прилипать и к внешней границе пограничного слоя к невозмущенному потоку, и к внутренней границе пограничного слоя к поверхности твердого тела. А т.к. на границе с невозмущенной средой течение в пограничном слое практически отсутствует, то среда в пограничном слое однозначно прилипает к его внешней границе.

Таким образом, прочностные свойства поликристаллической структуры среды диктуют, чтобы среда скользила по поверхности обтекаемого ею тела. Трение же скольжения формирует касательные напряжения. Любой тип течения сопровождается формированием градиента скорости по нормали к поверхности обтекаемого тела. Но градиент скорости обязан сопровождаться и формированием градиента напряжений. Т.е. по нормали к поверхности обтекаемого тела возникает градиент напряжений.

А как выше выяснено, непосредственно у поверхности обтекаемого тела формируются агломераты из микрокристалликов среды. По объему же агломератов существует градиент напряжений. При этом в направлении течения значение касательных напряжений не изменяется по величине, т.е. градиента напряжений в этом направлении не существует. В направлении же, перпендикулярном как потоку, так и поверхности твердого тела, агломераты находятся в условиях существующего градиента напряжений.

Агломерат можно рассматривать как относительно твердое образование, обладающее определенной прочностью. Поэтому действующий на него градиент напряжений можно представить как результат действия на твердое тело пары сил разной величины, действующих на противоположные его точки. И силы эти обязаны иметь направление, перпендикулярное градиенту напряжений. А т.к. в направлении потока градиент напряжений отсутствует, то в этом направлении и не может возникнуть момента сил.

Момент же сил, формируемый градиентом напряжений, должен вызвать вращательное движение агломерата. В этом и состоит механизм формирования вихря. В соответствии же с законом сохранения момента количества движения в рассматриваемых условиях может возникнуть только пара вихрей с противоположными направлениями вращения. Отметим, что отсутствие градиента напряжений в направлении потока не создает соответствующего момента сил, а следовательно, и формируемые вихри не могут вращаться в этом направлении.

К тому же надо учесть, что касательные напряжения не только вытягивают в направлении потока материю агломерата, но в этом же направлении перестраивают и свободный объем, приобретающий форму вытянутых по потоку нитей. Т.е. каких бы то ни было разрывов в направлении потока в структуре агломерата не существует. В то же время эти разрывы формируются пустотными нитями в направлении, перпендикулярном потоку. Т.е. вихри имеют возможность сформироваться только в том направлении, где у них имеется свобода для перемещения, в том же направлении действует и момент сил, стремящийся привести агломерат во вращательное движение.

Таким образом, направление вращения вихрей должно быть перпендикулярным как направлению действия градиента, так и нитям из свободного объема. А т.к. нити направлены по потоку, то направление движения вихрей должно быть перпендикулярным потоку, а сами вихри могут катиться только по поверхности обтекаемого тела или по внешней границе ламинарного подслоя.

По этой причине экспериментально найденные в работах [1], [2] вихри и образуют когерентную систему из парных, расходящихся вихрей, с регулярной периодичностью разрушающуюся и вновь появляющуюся непосредственно у поверхности обтекаемого тела. И ось вращения формируемых вихрей направлена по потоку.

Естественно формируемые вихри всегда катятся по одной и той же поверхности. А т.к. они имеют противоположные направления вращения, то поэтому они и расходятся. Причем направление градиента напряжений позволяет определять и поверхность, по которой и катятся естественно формируемые вихри. При движении тела в неподвижной среде величина напряжений уменьшается от поверхности тела вглубь пограничного слоя (сила у поверхности тела больше силы у поверхности ламинарного подслоя), среда отрывается от поверхности тела и вихри катятся по поверхности ламинарного подслоя. При движении среды относительно неподвижного тела величина напряжений уменьшается в направлении поверхности тела, вихри катятся по поверхности тела.

Для стационарного же существования вихрей в потоке с одновременной заменой трения скольжения трением качения надо так организовать течение, чтобы ось вращения вихрей с продольного направления развернулась в перпендикулярном потоку направлении. При этом немаловажно, чтобы сформированные вихри катились друг по другу. А это будет только в том случае, когда один вихрь катится по поверхности тела, а второй – по поверхности ламинарного подслоя. И только в этом случае вихрь, катящийся по поверхности обтекаемого тела и получающий от него энергию, сможет компенсировать потери на трение качения второму вихрю, катящемуся по поверхности границы ламинарного подслоя. А т.к. раз сформированная последовательность вихрей не будет при этом разрушаться с течением времени в широком диапазоне условий течения, то будут резко сокращены потери на вязкое трение.

Для этого же нам требуется создать сигнал асимметричной формы. Ведь в силу инерционности любой среды для формирования одиночного вихря требуется определенное время. А если на стационарную составляющую давления или динамического напора наложить синусоидальный, или ему подобный, симметричный сигнал, то начавший формироваться вихрь одного направления вращения на восходящем участке синусоиды тут же будет разрушен формирующимся вихрем противоположного направления вращения на нисходящем участке синусоиды. И формируемые симметричным сигналом вихри взаимно уничтожат друг друга.

Таким образом, естественно сформированные вихри возникают при наличии градиента напряжений, изменяющегося в направлении, перпендикулярном потоку. Следовательно, для требуемой организации течения на стационарную составляющую давления (динамического напора) надо наложить сигнал, создающий градиент напряжений в направлении потока. И существенная особенность, подсказываемая живой природой: формируемый сигналом продольный градиент напряжений должен быть таким, чтобы формируемые сигналом вихри были созданы раньше, чем сможет естественно сформироваться очередная когерентная система парных расходящихся вихрей.

При этом резким повышением или резким понижением динамического напора за управляемым участком среда в направлении потока будет либо растягиваться, либо сжиматься. Т.е. этим самым будет создан либо положительный, либо отрицательный градиент напряжений в направлении потока, что и необходимо для требуемой организации течения. Под динамическим напором понимается динамическое давление текущей по поверхности тела среды, определяемое трубкой Пито или аналогичным ей устройством. Изменение же величины динамического напора достигается путем увеличения или уменьшения расхода среды, подаваемой в управляемый участок потока. При этом закон изменения величины динамического напора в дальнейшем будет называться сигналом.

Поэтому требуемый градиент напряжений должен создаваться наложением на стационарную составляющую давления (динамического напора) сигнала типа фиг.3 – форма сигнала для создания продольного градиента напряжений, или фиг.4 – форма сигнала для создания продольного градиента напряжений, что равносильно фиг.5 – форма сигнала для создания продольного градиента напряжений.

Для обсуждаемого в настоящем изобретении способа организации течения необходимо формирование плотно уложенной последовательности парных вихрей, попарно вращающихся в противоположных направлениях. Ведь необходимым и достаточным условием для сокращения потерь энергии является требование, чтобы вихри катились непосредственно друг по другу.

Этого же можно достичь, накладывая на стационарную составляющую давления сигнала типа фиг.6 – форма последовательности сигналов для формирования последовательности парных вихрей. При этом на фиг.6 приведено два полных сигнала и начало от третьего.

Способ предназначается для использования в открытых системах, в которых транспортируемая среда не возвращается к своим истокам. При этом закон сохранения момента количества движения по-прежнему требует формирования парных вихрей с противоположными направлениями вращения. Причем парные вихри, двигающиеся в направлении потока, формируются и при их создании сигналами как типа, приведенного на фиг.3, так и типа, приведенного на фиг.4 (5). Но если, скажем, среда перед управляемым участком сигналом сжимается, то после него среда растягивается. Поэтому после управляемого участка вихрь формируется одного направления вращения, а перед ним формируется вихрь второго направления вращения.

И после выведения системы в стационарный режим вторая половина первого сигнала фиг.6, расположенная ниже прямой, служит для пропуска вихря противоположного направления вращения, сформированного первой половиной сигнала. Сама же вторая половина первого сигнала формирует в потоке перед собой вихрь, который в свою очередь будет пропущен без искажений первой половиной второго сигнала фиг.6, расположенной над прямой. Поэтому последовательность сигналов фиг.6 будет формировать последовательность вихрей, которые имеют попарно противоположные направления вращения.

Изложенные соображения показывают, что последовательность парных вихрей, вращающихся в направлении течения, может быть сформирована и сигналами фиг.3 и 4 (5). Но при этом через управляемый участок должен быть пропущен вихрь противоположного направления вращения, сформированный перед ним. Поэтому в последовательности сигналов фиг.3 или 4 (5) между сигналами должен быть бессигнальный промежуток для пропуска сигнала, сформированного перед управляемым участком. И последовательность сигналов должна иметь вид фиг.7, фиг.8 – форма последовательности сигналов для формирования последовательности парных вихрей.

В то же время при формировании последовательности одиночных вихрей, двигающихся под углом к направлению потока, сигналы фиг.7, 8 будут формировать вихри одного направления вращения, катящиеся по поверхности крыла. Ведь и естественно формируемые системы когерентных вихрей требуют времени для своего образования: агломераты из микрокристалликов должны достичь определенной величины деформированного состояния.

А т.к. в рассматриваемом случае условия формирования одиночного вихря близки к естественным, то будет сформирована пара вихрей, двигающихся в противоположных направлениях. Причем формируемые устройством микроскопические вихри при своем движении по крылу будут увеличиваться в размерах. И при сходе с поверхности крыла вихри будут иметь уже макроскопическую величину.

Проведенные эксперименты показали, что оптимальное отношение параметров сигнала b/а находится в пределах 1,5-1,8. При этом в зависимости от материала транспортируемой среды и ее расхода при транспортировке границы оптимальных пределов рассматриваемого отношения могут несколько изменяться. Ведь требуемые в технологических целях вихри должны формироваться раньше, чем при этих же условиях сможет сформироваться когерентная система расходящихся вихрей. Примерно в этих же границах находится и оптимальное отношение максимального и минимального значения давления (динамического напора), получаемого при наложении сигнала на стационарную величину давления.

Согласно представлениям авторов, формируемая последовательность вихрей, вращающаяся в направлении потока, перемещается в зазоре между поверхностью тела и внешней поверхностью ламинарного подслоя. При этом один из вихрей пары катится по поверхности обтекаемого средой тела, а второй из вихрей пары катится по поверхности ламинарного подслоя. Ведь сжатие и растяжение среды на управляемом участке можно рассматривать как аналог движения тела в неподвижной среде и обтекание средой неподвижного тела.

Поэтому, скажем, энергия, создаваемая движителем при равномерном движении тела в неподвижной среде, перемещает по поверхности тела один из вихрей пары. А т.к. вихри катятся друг по другу, то они обмениваются энергией. И второй вихрь из пары перемещается по поверхности ламинарного подслоя за счет энергии, передаваемой ему первым вихрем.

В реальных условиях полета возникает необходимость варьирования частотой и амплитудой сигнала. Но при увеличении, скажем, амплитуды h сигнала фиг.3 его вид все больше и больше приближается к форме равнобедренного треугольника. Симметричный же сигнал неспособен сформировать детерминированного вихря.

Поэтому, основываясь на отношении b/а, в рассматриваемом случае мы не сможем выполнить поставленной цели. Ориентироваться же в этом случае мы должны на отношение d/e. Полагая это отношение приближенно равным 1,6, из соотношений элементарной математики мы можем определить

При этом значение числовых параметров округлялось до десятых долей. Используя же соотношение (1), мы можем расширить пределы использования способа в сторону больших скоростей потока, соответственно, изменяя пределы оптимальных значений параметров.

Хоть это особо и не требуется для организации полета летательного аппарата (ширина крыла летательного аппарата конечна), но формируемая последовательность парных вихрей, вращающихся в направлении потока, будет устойчивой в широком диапазоне условий. Ведь согласно результатам экспериментальных работ [5] (Г.Шлихтинг. Возникновение турбулентности. М., ИЛ, 1962) вихри Тейлора, также имеющие попарно противоположные направления вращения вихрей, имеют ламинарный характер течения в диапазоне чисел Рейнольдца от 90 до примерно 3000.

Поэтому можно варьировать величиной параметров сигнала, скажем, фиг.6 в указанных выше пределах. При этом, изменяя параметры сигнала, мы все так же будем получать устойчивые последовательности вихрей. А это свойство создаваемых способом вихрей позволяет формировать вихри для удовлетворения тех или иных поставленных технической необходимостью целей в широком диапазоне скоростей течения.

В современных летательных аппаратах подъемная сила создается воздухом, набегающим на крыло, которое имеет определенную величину угла атаки. По мнению авторов настоящего изобретения, существенную при этом роль играет механизм формирования когерентной системы парных расходящихся вихрей.

За счет угла атаки крыла на его нижней поверхности воздух тормозится сильнее, чем на верхней поверхности крыла. Поэтому на нижней поверхности крыла системы когерентных вихрей возникают и разрушаются чаще, чем на его верхней поверхности. Соответственно, и сила вязкого сопротивления на нижней поверхности крыла больше, чем на его верхней поверхности. Разность величины возникающей при этом силы вязкого трения на нижней и на верхней поверхностях крыла и создает подъемную силу. Требуемая же величина подъемной силы создается за счет площади крыла.

Величину подъемной силы можно увеличить за счет формирования на верхней поверхности крыла последовательности одиночных вихрей, вращающихся в направлении потока. Т.к. трение качения существенно меньше трения скольжения, то это позволит резко увеличить величину создаваемой крылом подъемной силы. Эту последовательность можно создавать как при помощи последовательности сигналов фиг.6, так и при помощи последовательности сигналов фиг.7 или 8. А это позволит уменьшить площадь крыла.

Но следуя подсказке живой природы, энергию, затрачиваемую на организацию последовательности одиночных вихрей, можно также утилизировать на создание дополнительной величины подъемной силы. Для этого создаваемую последовательность одиночных вихрей следует направлять в аналог надкрылков жуков. При этом форма надкрылков жуков подсказывает форму как надкрылков, так и подкрылков летательных аппаратов. Вихри же, искусственно формируемые и на верхней, и на нижней поверхности крыла, должны разрушаться либо в надкрылках, либо в подкрылках, своим разрушением создавая подъемную силу. При этом подкрылки могут являться как отдельной деталью летательного аппарата, так и являться принадлежностью формы задней части нижней поверхности крыла.

Причем надкрылки, так же как и подкрылки, можно располагать в любом месте за крыльями: как у корпуса летательного аппарата, так и в центральной части крыла или на его конце. Надкрылки и подкрылки можно использовать и на всей длине крыла. Но в этом случае направление движения искусственно созданных вихрей должно совпадать с направлением движения потока.

Причем в первом случае нельзя использовать парных вихрей, вращающихся в направлении потока. Последовательность парных вихрей, вращающихся в противоположных направлениях, по мнению авторов настоящего изобретения, в своем движении по крылу в размерах не увеличивается. Поэтому кинетической энергии микроскопических вихрей будет недостаточно для создания значимой величины подъемной силы. С использованием надкрылков и подкрылков значимой величины подъемную силу можно получить только при искусственном формировании последовательности вихрей, все из которых катятся по поверхности крыла. За счет трения скольжения вихрей о поверхность ламинарного подслоя они будут увеличивать свою массу, что при их разрушении в надкрылках и подкрылках и позволит создавать дополнительную величину подъемной силы.

При расположении устройства, формирующего вихри (двигающиеся под углом к направлению потока), на конце крыла второй вихрь из пары сойдет с крыла без каких бы то ни было последствий. Расположив же устройство, формирующее вихри, в центральной части крыла, для полноценного использования предлагаемого способа мы должны устанавливать надкрылки и у корпуса, и на конце крыла. Ведь кинетическая энергия каждого вихря из расходящейся пары может быть использована на создание подъемной силы в соответствующем надкрылке.

Но потери летательного аппарата на трение можно дополнительно сократить, по подобию приемов, используемых рыбами, создав и на нижней поверхности крыла последовательность одиночных вихрей, вращающихся, скажем, под углом к направлению потока. Но в этом случае подъемную силу надо создавать при помощи дополнительных подкрылков, в которых и должны разрушаться вихри, двигающиеся по нижней поверхности крыла.

Таким образом:

1. Сущностью и отличительной особенностью данного изобретения является такая организация обтекания крыла летательного аппарата, при которой естественная когерентная система расходящихся вихрей существующего способа организации полета летательных аппаратов заменяется последовательностью одиночных вихрей, двигающихся в нужном направлении.

2. Подъемная сила создается за счет того, что на верхней поверхности крыла трение скольжения заменяется трением качения за счет формирования на ней последовательности вихрей, двигающихся в направлении потока.

3. Подъемная сила создается за счет того, что вихри, формируемые на верхней поверхности крыла, направляются в надкрылки. Искусственно формируемые вихри должны иметь при этом одно и то же направление вращения и катиться по поверхности крыла. Кинетическая энергия разрушающихся в надкрылках вихрей и создает дополнительную величину подъемной силы.

4. Подъемная сила создается за счет того, что вихри, формируемые и на нижних, и на верхних поверхностях крыла, разрушаются как в надкрылках, так и в подкрылках. Искусственно формируемые вихри должны иметь при этом одно и то же направление вращения и катиться по поверхности крыла. При этом подкрылки могут располагаться в тех же местах, в которых расположены и надкрылки. Выделившаяся при разрушении вихрей энергия и создает подъемную силу.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.

Способ организации течения среды по крылу летательного аппарата заключается в замене периодически формируемой и разрушающейся на его верхней поверхности когерентной системы вихрей с осью вращения, направленной по потоку, одиночными вихрями, ось вращения которых перпендикулярна потоку, путем создания на управляемом участке локальных возмущений в виде последовательности сигналов асимметричной формы, при этом амплитуда и частота сигналов функционально связаны с интенсивностью потока и характеристиками его среды, а амплитуда сигналов не превышает половины величины динамического напора потока.

Локальные возмущения создают в виде непрерывной последовательности чередующихся положительных и отрицательных сигналов асимметричной формы путем чередования подачи и отбора среды в локальном сечении управляемого участка, наложенных на стационарную составляющую давления, для которых выполняется соотношение b/а=1,5-1,8, где

a – время нарастания давления при положительных значениях сигнала и время спада давления при отрицательных значениях сигнала,

b – время спада давления при положительных значениях сигнала и время нарастания давления при отрицательных значениях сигнала.

Локальные возмущения можно создавать в виде непрерывной последовательности чередующихся положительных и отрицательных сигналов асимметричной формы путем чередования подачи и отбора среды в локальном сечении управляемого участка, наложенных на стационарную составляющую давления, для которых выполняется соотношение а/b=1,5-1,8, где

a – время нарастания давления при положительных значениях сигнала и время спада давления при отрицательных значениях сигнала,

b – время спада давления при положительных значениях сигнала и время нарастания давления при отрицательных значениях сигнала.

Локальные возмущения можно создавать в виде разрывной последовательности положительных сигналов асимметричной формы путем подачи среды в локальном сечении управляемого участка, наложенных на стационарную составляющую давления, для которых выполняется соотношение b/а=1,5-1,8, а «с» находится в пределах от «b» до «b+а», где

a – время нарастания давления,

b – время спада давления,

с – время отсутствия давления.

Локальные возмущения можно создавать в виде разрывной последовательности отрицательных сигналов асимметричной формы путем отбора среды в локальном сечении управляемого участка, наложенных на стационарную составляющую давления, для которых выполняется соотношение а/b=1,5-1,8, а «с» находится в пределах от «b» до «b+а», где

a – время нарастания давления,

b – время спада давления,

с – время отсутствия давления.

Таким образом, формируются одиночные вихри, направленные под углом к направлению потока, которые разрушаются в надкрылках, расположенных либо у корпуса, либо в центральной части крыла или на его конце.

Возможно формируемые в направлении потока вихри направлять в надкрылки, расположенные у корпуса летательного аппарата и на конце крыла.

Вихри возможно формировать и на верхней, и на нижней поверхности крыла и направлять в надкрылки и подкрылки.

Примеры конкретного выполнения.

Т.к. в патенте предлагается способ, а не его техническая реализация, то была произведена только проверка принципиальной возможности реализации способа. Для этих целей использовалась примитивная аэродинамическая труба.

В качестве рабочего элемента примитивной аэродинамической трубы использовалась вентиляционная часть бытового тепловентилятора. При этом аэродинамическая труба в сечении имела форму прямоугольного короба. Крыло имело профиль сильно вытянутой капли с нулевым углом атаки. Подбором значения амплитуды сигнала на нижней поверхности крыла создавалась последовательность вихрей Тейлора нужных размеров, направление вращения которых совпадало с направлением потока.

На верхней поверхности крыла создавалась последовательность однонаправленных вихрей, движущихся в направлении надкрылка. Т.к. в исследуемом случае поток перемещается относительно неподвижного крыла, то вихри должны катиться по отражающей границе, скользя по поверхности крыла. Съемный надкрылок имел форму сегмента эллипсоида.

При этом вентиляционная часть бытового тепловентилятора выполняла две функции: аэродинамической трубы, обдувающей модель крыла, и тяговой установки. Поток же воздуха для формирования вихрей создавался автомобильным компрессором. Для сглаживания колебаний давления компрессора использовался небольшой ресивер.

Установка в вертикальной или в горизонтальной плоскости осью крепилась на рычаге, большее плечо которого с соответствующим противовесом крепилось на пружине. Использование вертикального или горизонтального крепления позволяло исследовать наличие либо подъемной силы, либо тягового усилия. Специально подобранные пружины не тарировались, в связи с чем и не снимались количественные характеристики исследуемых сил. Проверялась только принципиальная возможность создания подъемной силы и тягового усилия.

При одних и тех же условиях применение надкрылков увеличивало величину подъемной силы, что выражалось в увеличении растяжения пружины, удерживающей модель крыла в стационарном положении. Тяговое усилие вентилятора также увеличивалось при включении в работу устройства, создающего вихри Тейлора на нижней поверхности крыла и однонаправленные вихри на его верхней поверхности, разрушающиеся в надкрылках.

Технико-экономическая эффективность. Применение способа позволит резко снизить затраты энергии на организацию передвижения летательных аппаратов в среде. При этом использование надкрылков позволит получать подъемную силу даже при нулевом угле атаки крыла. Использование же надкрылков позволит уменьшить площадь плоскости крыла (по сравнению с существующим способом ее получения) при создании подъемной силы одной и той же величины. В условиях эксперимента сопротивление перемещению среды по поверхности крыла уменьшалось примерно на порядок, что при том же тяговом усилии, создаваемом тяговой установкой, в реальных условиях полета позволит увеличить скорость полета.

Формула изобретения

1. Способ организации течения среды по крылу летательного аппарата, заключающийся в замене периодически формируемой и разрушающейся на его верхней поверхности когерентной системы вихрей с осью вращения, направленной по потоку, одиночными вихрями, ось вращения которых перпендикулярна потоку, путем создания на управляемом участке локальных возмущений в виде последовательности сигналов асимметричной формы, при этом амплитуда и частота сигналов функционально связаны с интенсивностью потока и характеристиками его среды, а амплитуда сигналов не превышает половины величины динамического напора потока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что локальные возмущения создают в виде непрерывной последовательности чередующихся положительных и отрицательных сигналов асимметричной формы путем чередования подачи и отбора среды в локальном сечении управляемого участка, наложенных на стационарную составляющую давления, для которых выполняется соотношение

b/а=1,5-1,8,

где а – время нарастания давления при положительных значениях сигнала и время спада давления при отрицательных значениях сигнала;

b – время спада давления при положительных значениях сигнала и время нарастания давления при отрицательных значениях сигнала.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что локальные возмущения создают в виде непрерывной последовательности чередующихся положительных и отрицательных сигналов асимметричной формы путем чередования подачи и отбора среды в локальном сечении управляемого участка, наложенных на стационарную составляющую давления, для которых выполняется соотношение

a/b=1,5-1,8,

где а – время нарастания давления при положительных значениях сигнала и время спада давления при отрицательных значениях сигнала;

b – время спада давления при положительных значениях сигнала и время нарастания давления при отрицательных значениях сигнала.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что локальные возмущения создают в виде разрывной последовательности положительных сигналов асимметричной формы путем подачи среды в локальном сечении управляемого участка, наложенных на стационарную составляющую давления, для которых выполняется соотношение b/а=1,5-1,8, а с находится в пределах от b до b+а,

где а – время нарастания давления; b – время спада давления; с – время отсутствия давления.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что локальные возмущения создают в виде разрывной последовательности отрицательных сигналов асимметричной формы путем отбора среды в локальном сечении управляемого участка, наложенных на стационарную составляющую давления, для которых выполняется соотношение а/b=1,5-1,8, а с находится в пределах от b до b+а,

где а – время нарастания давления; b – время спада давления; с – время отсутствия давления.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируются одиночные вихри, направленные под углом к направлению потока, которые разрушаются в надкрылках, расположенных либо у корпуса, либо в центральной части крыла или на его конце.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируемые в направлении потока вихри направляются в надкрылки, расположенные у корпуса летательного аппарата и на конце крыла.

8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что вихри формируются и на верхней, и на нижней поверхности крыла и направляются в надкрылки и подкрылки.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 17.07.2007

Извещение опубликовано: 10.03.2009 БИ: 07/2009