Циклический движитель летательного аппарата вертикального взлета и посадки
CYCLIC PROPULSION OF A VERTICAL TAKEOFF AND LANDING AIRCRAFT

Изобретение относится к воздушному, а именно к циклическому движителю (циклоидальному пропеллеру, циклоидальному движителю) с ротором, который предназначен для формирования движущей силы и организации управления воздушным транспортным аппаратом. Использование циклических движителей (циклических роторных движителей) с ротором с переменным вектором тяги позволяет транспортному аппарату осуществлять вертикальные взлеты и посадки, оперативно изменять направление движения, приближаться к вертикальным объектам, осуществлять посадку на наклонных поверхностях, что недоступно современным воздушным транспортным средствам. При этом циклический движитель при создании аналогичной тяги существенно тише (более низкий уровень генерируемого шума) по сравнению с пропеллерами, винтами или реактивными струями.
Известны примеры применения циклических роторных движителей, описанные в патентах US 2079217 A, US 2090052 A, US 2580428 A, US 6932296 B2, US 9346535 B1, US 5265827 A, US 20070200029 A1, US 20160376003 A1, KR 100558462 B1, KR 100810725 В1, US 5100080 A, WO 2017112973 A1, US 20190023393 A1, RU 2125524 C1, RU 135986 U1, RU 2599854 C2.
Недостатками существующих циклических роторных движителей является низкая эффективность, измеряемая в кгс/кВт, т.е. небольшая тяга по сравнению с вырабатываемой мощностью двигателя.
Циклические роторные движители - это технически более сложные устройства по сравнению с винтами, поэтому появление аппаратов (циклокоптер, цикложир, циклолет и др.) с такими движителями стало возможно только при современном уровне материаловедения, развития вычислительной техники, систем навигации и управления. Одним из основных вопросов при создании таких аппаратов является повышение их эффективности.
В последние годы появились патенты на технические решения, обеспечивающие повышение эффективности циклических роторных движителей на основе движения лопастей не по круговой, а по эллиптической траектории: US 20090226314 A1, WO 2017175217 A1, WO 2019139559 A1, WO 2019004807 A1. Недостатками данных циклических роторных движителей является сложность реализации и управления, низкая надежность.
В заявке предлагается повышение эффективности циклических роторных движителей на основе совершенствования аэродинамического качества элементов их конструкции.
Циклический роторный движитель состоит из ротора, имеющего торцевые диски, набора лопастей, прикрепленных к торцевым дискам, вращающихся по круговой орбите вокруг оси ротора и поворачивающихся вокруг собственной оси, механической системы управления углом атаки лопастей и двигательной установки.
В литературе в основном встречается описание циклических роторных движителей с открытыми торцами (Фиг. 1) (US 2079217 A, US 2090052 A, US 2580428 A, US 6932296 B2, US 9346535 B1, US 5265827 A, US 20070200029 A1, US 20160376003 A1, KR 100558462 В1, KR 100810725 В1, US 5100080 А, WO 2017112973 A1, US 20190023393 A1, RU 2125524 C1, RU 135986 U1, RU 2599854 C2). Есть несколько работ (WO 2017112973 A1, WO 2019115532 A1) использующих роторы с закрытыми торцами (Фиг. 2). При этом, в последних использование закрытых торцов обусловлено способом технической реализации аппаратов, а не их эффективностью.
Ближайшим аналогом предлагаемого циклического ротора является устройство, описанное в патенте US 5100080 (A). Это изобретение относится к ротору, способному развивать подъемные и/или движущие силы, и к его процессу управления. Этот ротор содержит несколько профилированных лопастей с осями, параллельными оси привода; угол падения каждой профилированной лопатки контролируется в режиме реального времени в зависимости от его углового азимута и условий полета для получения желаемых подъемных и движущих сил. Недостатком данного ротора является низкая эффективность.
Повышение эффективности предлагаемого авторами циклического роторного движителя достигается тем, что толщина дисков увеличена и кромки торцевых дисков выполнены скругленными, лопасти искривлены вдоль хорды, т.е. имеют несимметричный профиль, а поверхность лопастей выполнена волнистой, за счет регулярных углублений вдоль хорды на верхней и нижней поверхностях лопасти, причем значение шага и величины углублений функционально зависят от числа Рейнольдса, рассчитываемого по скорости движения и хорде лопасти.
В предлагаемом устройстве используются роторы с закрытыми торцами. Расчеты и эксперимент показали, что при использовании открытых торцов через них происходит интенсивная эжекция воздуха, которая существенно меняет аэродинамику как внутри ротора, так и формируемой струи. Лопасти при этом работают в существенно неравномерном потоке воздуха и несут локально большие нагрузки. Формируемая от ротора струя расплющивается (Фиг. 3а-в), что может негативно сказываться на управлении аппаратом (плоские струи менее устойчивы). Ротор с закрытыми торцами формирует компактную прямоточную струю (Фиг. 4а-в). Из данных экспериментальных исследований на лабораторной установке с циклическим ротором диаметром 0,6 м и длиной 0,5 м следовало, что эффективность циклического роторного движителя с закрытыми торцами ротора для различных величин тяги (разные скорости вращения ротора) на 15 процентов выше (Фиг. 5) чем эффективность движителя с открытыми торцами.
Изменение формы торцевых дисков также повышает эффективность работы устройства. Расчеты показали, что при поступлении воздуха в ротор происходит отрыв потока от острой кромки плоских дисков и на краях лопастей формируются вихревые зоны (Фиг. 6, 7), что снижает эффективность устройства. Увеличение толщины торцевых дисков до 0,1 их диаметра и использование сглаженной кромки дисков (Фиг. 8, 9) позволяет убрать этот аэродинамический эффект и повысить эффективность циклического роторного движителя до 8% (Таблица 1). Сглаженность кромки дисков достигается тем, что радиус внутренней поверхности диска равен 0,9 радиуса его внешней поверхности, а профиль поверхности, соединяющей внутреннюю и внешнюю стороны диска, является частью окружности радиуса 0,1 от радиуса внешнего диска.
Повышение эффективности циклического роторного движителя достигается за счет изменения формы поверхности лопастей. Так как лопасти в движителе совершают не прямолинейное движение, а по окружности, то для повышения эффективности необходимо использовать не симметричные профили (Фиг. 10), а искривленные вдоль хорды (Фиг. 11). Искривление достигается уменьшением толщины профиля нижней половины лопасти по отношению к верхней половине. Конкретная, наиболее целесообразная форма лопасти зависит от конструкции циклического роторного движителя и от режимов его работы. Например, при сравнении эффективности работы циклических роторных движителей с формами лопастей NACA0016 (симметричный профиль) и NACA2416 (несимметричный профиль) для опытного циклического роторного движителя эффективность во втором случае была выше на 6% (Таблица 2).
Эффективность в данном устройстве также была увеличена за счет изменения формы поверхности лопастей. Для циклических движителей характерные числа Рейнольдса не превышают 1 000 000, при таких условиях целесообразно организовать управление отрывом потока на сверхкритических углах атаки. В [1] для аэродинамических характеристик крыла малоразмерных аппаратов предлагается использовать волнистость поверхности. Для циклического роторного движителя предлагается использовать такую поверхность [2] с целью снижения сопротивления (затрат энергии) и повышения тяги. Измерения поля скорости с помощью технологии PIV при вращающихся по круговой траектории лопастях с гладкой (Фиг. 12) и волнистой поверхностью (Фиг. 13) подтвердили более позднее формирование отрывного течения для волнистого крылового профиля. Волнистость профиля лопасти достигается за счет регулярных углублений вдоль хорды на верхней и нижней поверхностях лопасти. Шаг углублений и их глубина зависят от числа Рейнольдса, для ротора диаметром 0,6 м и длиной 0,5 м при хорде лопасти 0,15 м и числе Рейнольдса 330 000 шаг углублений равен 0,0213 м, глубина - 0,0025 м. Использование волнистых профилей для лопастей циклического движителя, по сравнению с гладкими лопастями повышает эффективность движителя на 7%.
На фиг. 1 представлен внешний вид циклического роторного движителя с открытыми торцами. На фиг. 2 представлен внешний вид циклического роторного движителя с закрытыми торцами. На фиг. 3 представлены расчетные поля скорости в циклическом роторном движителе с открытыми торцами, где 3а) - сечение вдоль оси ротора, 3б) - сечение поперек оси ротора, 3в) - изоповерхность со значением скорости 35 м/с.На фиг. 4 представлены аналогичные изображения поля скорости в циклическом роторном движителе с закрытыми торцами. На фиг. 5 представлен график зависимости эффективности циклического роторного движителя при различных значениях тяги. На фиг.6 представлен ротор с тонкими торцевыми дисками, имеющими цилиндрическую форму и прямоугольную кромку. На фиг. 7 представлено расчетное поле скоростей, в роторе с тонкими торцевыми дисками. На фиг. 8 представлен ротор с утолщенными дисками, имеющими скругленную форму. На фиг. 9 изображено расчетное поле скоростей, формирующееся в роторе с дисками, имеющими увеличенную толщину и скругленные кромки. Фигура 10 представляет собой эскиз профиля лопасти, симметричной относительно хорды. Фигура 11 - это эскиз профиля лопасти, искривленной вдоль хорды. Фигура 12 показывает лопасть с гладкой поверхностью, а фигура 13 - лопасть с волнистой поверхностью.
Сочетание рассмотренных технических решений позволяет повысить эффективность циклического роторного движителя и создать на его основе воздушные транспортные аппараты вертикального взлета и посадки, сравнимые или превосходящие по возможностям современные летательные аппараты.
Источники информации
1. Зверков И.Д., Козлов В.В., Крюков А.В. Улучшение аэродинамических характеристик крыла малоразмерного аппарата // Доклады академии наук. - 2011. - т. 440, №6. - С. 1-4.
2. Зверков И.Д., Крюков А.В., Грек Г.Р., Коновалов И.С, Евтушок Г.Ю. Определение параметров волнистости поверхности для крыла малоразмерного летательного аппарата // Вестник Новосибирского гос. ун-та. Серия: Физика. 2015. Т. 10, вып. 3. С. 5-18.