ПРОЕКТЫ БУНЯКИНА









Летательный аппарат с плотностью близкой к плотности воздуха и восполнением потерь энергии за счет взаимодействия с внешним потоком

является промежуточным вариантом между аэростатом и аэропланом. Рассчитан на движение с относительно малыми скоростями (порядка 100 км/ч, что превосходит скорости воздухоплавания, но не достигает скоростей современных аппаратов тяжелее воздуха) и на малых высотах (ориентировочно до 3 км), взамен же ставится задача экономии энергии в полете.

Экономия энергии здесь подразумевается вплоть до полного возмещения (восполнения взлетных энергетических потерь на крейсерском режиме) за счет использования энергии атмосферной турбулентности. Это накладывает особые требования на форму и размеры летательного аппарата, его конструкцию, технологию и материалы при его изготовлении.

Форма летательного аппарата (ЛА) должна иметь тип «толстое двойное крыло» (см. раздел «Крыло» на сайте, а также рисунок ниже), она должна иметь эластичную внешнюю оболочку и деформироваться в полете под действием перепадов давления, являющихся следствием взаимодействия с крупными вихревыми образованиями, формируемыми в приземном атмосферном слое. Размеры аппарата определяются, с одной стороны, требованиями жесткости несущих элементов внутренней конструкции корпуса «скелета», а с другой – эластичностью внешней поверхности ЛА и объемом внутренних полостей, заполняемых легким газом (вероятнее всего – гелием, что в дальнейшем и принимается за основу) для обеспечения близости средней плотности ЛА к плотности воздуха.

Близость к плотности воздуха – это равенство средней плотности ЛА и плотности воздуха на высоте около 2 км (последняя подразумевается усредненной по временам года и характерной для той местности, где предполагается использование ЛА). Это обеспечит аэростатическую подъемную силу при подъеме до 2 км, а посадка может осуществляться посредством закачивания (сжатия) гелия в баллоны, расположенные на борту ЛА, что приведет к уменьшению объема внутренних полостей, непосредственно контактирующих с внешней эластичной оболочкой ЛА, и как следствие, уменьшения объема и увеличения общей плотности ЛА.

Схема ЛА (корпус и силовые элементы)

 

Конструкция ЛА может быть следующей (рассмотрена на примере силовой установки с электродвигателем, что принципиально не является обязательным). Несущая конструкция – «скелет» ЛА состоит из трех основных элементов: продольная ось (ось внутреннего тракта и двигательной установки – электродвигателя и винта); поперечная ось, проходящая через центры нервюр (профилей крыла); и сами нервюры, как элементы, обеспечивающие частичную жесткость внешней поверхности ЛА.

Периферийные участки крыла содержат вихревые ячейки, которые имеют относительно жесткую стенку (по сравнению с эластичной внешней поверхностью ЛА), что помимо их аэродинамической функции, создает дополнительную жесткость на этих участках крыла.

Внутренние полости крыла заполняются гелием – это пространства между эластичной внешней оболочкой ЛА и эластичной оболочкой внутреннего тракта – трубы переменного сечения, расположенной симметрично относительно плоскости симметрии всего ЛА (тракт содержит внутри несущую продольную ось и двигательную установку). Эластичность стенок тракта дает возможность сообщения дополнительной энергии потоку воздуха в нем за счет использования энергии атмосферных вихрей, действующих на внешнюю поверхность ЛА. Передача энергии (от внешней поверхности ЛА к стенкам тракта) осуществляется следующим образом:

Упругая передача воздействия от внешней поверхности ЛА к стенкам тракта

 

Во-первых, если гелий во внутренних полостях находится в герметичных емкостях с эластичными стенками (между внешней поверхностью ЛА и стенками тракта), то деформация крыла приведет к изменению объема этих емкостей, а соответственно к колебаниям давления в них. То есть эластичные емкости с гелием, находящихся внутри толстого крыла (между нервюрами, ограничивающими вихревые ячейки), имеют стенки, выходящие на поверхность тракта (эластично соприкасающиеся со стенками тракта). Таким образом, за счет колебания давления (которое в среднем близко к атмосферному) динамическое воздействие на внешнюю поверхности крыла будет передаваться на стенку тракта.

Во-вторых, нервюры, ограничивающие вихревые ячейки, могут быть непосредственно соединены со стенками тракта упругими стержнями, работающими на сжатие (на схеме ЛА они показаны штрих – пунктирными линиями, а на схеме передачи воздействия – сплошными и штриховыми). При этом общие поперечные колебания крыла могут передаваться на стенку тракта, которая в таком варианте должна быть снабжена упругими кольцами, соединенными с указанными стержнями.

Колебания стенки тракта приводит к вариациям его перечного сечения (отклонениям его площади от усредненного значения), и это есть механизм подвода энергии к потоку воздуха внутри тракта, прокачиваемому по нему двигательной установкой. В комбинации с самой двигательной установкой, вентилятор которой обладает инерцией, и поэтому играет роль своего рода «негерметичного обратного клапана» при нагнетании воздуха вовнутрь тракта, такой способ воздействия на поток с энергетической стороны оправдан. Возникает вопрос о технической реализации и соответственно об оценке той дополнительной мощности, которая привносится за счет принудительных колебаний стенки. Оценке этого энергетического добавка в рамках простейшей математической модели посвящен приведенный ниже материал.

Положим, что стенки трубы деформируются таким образом, что любое сечение мгновенно представляет собой эллипс с малым эксцентриситетом, периодически растягивающийся вдоль одной полуоси, сжимаясь при этом вдоль другой и наоборот. Сама же поверхность трубы (тракта) в каждый момент времени остается локально близкой к однополостному гиперболоиду (ниже это будет уточнено).

Сложность применения такого метода сообщения энергии потоку, проходящему сквозь трубу, состоит в том, что режим вибраций выходного сечения должен быть согласован со скоростью потока на входе и соответственно – с частотой вращения вентилятора, иначе энергия вибраций может пойти не на разгон, а на торможение потока. В представленном материале приведена математическая модель, которая дает первое приближение для описания эффекта сообщения энергии потоку в тракте таким образом.

Математическая модель строится на основе квазиодномерного приближения для течения воздуха в трубе – в тракте двигателя. Контур сечения аппроксимируем двухпараметрической кривой в полярной системе координат  следующим уравнением , тогда площадь этого сечения . Даная формула соответствует случаю, когда сечение растягивается, а может быть и наоборот – сжимание, причем последний случай с технической точки зрения более простой в реализации, что и показано на приведенных выше схемах. Контур сечения может представлять собой нерастяжимое упругое кольцо, эллиптически деформируемое при вибрации. Тогда при смещениях стенки порядка «» изменение площади будет происходить в первом приближении так:

Рассмотрим два этих случая (растяжения и сжатия сечения), и покажем, что в математической модели квазиодномерного линейного приближения они приведут к одинаковому результату в смысле добавочного давления на выходе из тракта двигателя (дополнительного к давлению, создаваемому вентилятором), которое и характеризует сообщаемую потоку энергию. Итак, считается, что вибрация не влияет на объемный расход воздуха через трубу, а влияет лишь на скорость в выходном сечении , здесь  - координата вдоль трубы,  - потенциал поля скорости (квазиодномерный). Далее, как еще одно допущение модели, считается, что значение  - относительная деформация сечения меняется по линейному закону вдоль трубы , индекс «0» соответствует входному сечению, а «1» - выходному,  - длина трубы.

Сначала рассмотрим случай растяжения (знак «» в формуле для ), тогда потенциал поля скорости находится интегрированием (промежуточные выкладки не приведены):

Отсюда, считая условно что , а  - меняется со временем при вибрации (штрих – производная по времени, ), находится , и берется асимптотика этого выражения при  (используя ):

Для сжатия сечения (знак «-» в формуле для ) будет следующее:

 Далее при , а  имеем . После взятия асимптотики при  (используя ) получается  тот же результат, что и для растяжения.

Используя линеаризованный интеграл Коши – Лагранжа в выходном сечении , здесь  - плотность воздуха (считается постоянной) и  - отклонение давления при его пульсациях, найдем . Можно вычислить среднее по периоду колебаний  значение этого отклонения (полагая  без ограничения общности – с учетом возможного сдвига времени):

Отсюда видно, что оптимальным является вариант, когда входное сечение имеет форму круга и неподвижно (колеблется только контур выходного сечения), то есть  и тогда . Этот результат физически естественный – во входном сечении вращается вентилятор.

Для более точного моделирования требуется экспериментальное исследование. Эффект сообщения энергии потоку между входным и выходным сечениями посредством вибрации стенок трубы (воздушного тракта), с чисто энергетической точки зрения, не подлежит сомнению, однако возможно торможение (запирание) потока в случае если режим вибраций не согласован со скоростью течения. Для фиксированной скорости течения диапазон частот, в котором запирание не происходит, неширок, априори можно сказать, что период основной моды колебаний должен быть приблизительно равен времени прохождения воздуха вдоль всей трубы.

Полученная формула позволяет лишь приблизительно (по порядку величин) оценить мощность, которую можно получить от такого двигателя: , , , , тогда , а мощность при расходе  составит .

В заключение следует отметить, что экономия энергии в описанной схеме обосновывается тем, что вибрация – это естественный «спутник» аппарата в полете, особенно если полет происходит на небольшой высоте в зоне атмосферной турбулентности. Крупномасштабные вихревые образования, воздействующие на корпус летательного аппарата, обладают большой энергией. Если корпус достаточно большой и обладает эластичностью специального свойства, то технически возможна передача вибрации от него на стенку выходного сечения вентиляторно–пульсационного двигателя. Это с одной стороны демпфирует нагрузку на корпус, а с другой – помогает движению.

В настоящее время уже возникают технические возможности для реализации методов энергосбережения типа того, что был представлен (конструкционные материалы, технологии сборки летательных аппаратов, средства управления ими в полете). Имеются полимерные и композиционные материалы, которые позволяют за счет утолщения профиля крыльев приблизить среднюю плотность аппарата к плотности воздуха (тип «летающее крыло»). Существуют средства управления вибрацией, как чисто механические, так пневматические и электрические. Имеются системы изменения формы аппарата в полете, его стабилизации, относительно быстрого дополнительного или предварительного разгона. Таким образом, на передний план выходят проблемы энергосбережения, то есть снабжения летательных аппаратов дополнительными двигателями и сопутствующими им установками, работающими на «незатратных» источниках энергии.

 

Публикации и доклады результатов:

1. Сборник трудов XV Всероссийского семинара по управлению движением и навигации летательных аппаратов (Часть 1), Самара 2012, стр. 195 – 196

2. Сборник трудов XVI Всероссийского семинара по управлению движением и навигации летательных аппаратов (Часть 1), Самара 2013, стр. 166 – 169




Контакты.
e-Mail: