АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ДВИЖИТЕЛЬ
AERODYNAMIC PROPULSOR

Изобретение относится к устройствам для создания аэродинамической подъемной силы(тяги) и может быть использовано для перемещения в воздушном пространстве аппаратов тяжелее воздуха.
Известно устройство для создания подъемной силы в воздушной среде - несущий винт вертолета.
Несмотря на широкое использование этих устройств, они обладают тем недостатком, что диаметры несущих винтов достигают значительных размеров.
2
Так, например, у вертолета Ми-34 (Авиация. Энциклопедия. М. Большая Российская энциклопедия, 1994. стр.343) при взлетном весе 1350 кГ диаметр несущего винта составляет 10 м. Нагрузка на ометаемую площадь равна 17,2 кг/м.
Таким образом, повышение нагрузки на ометаемую площадь за счет уменьшения диаметра несущего винта является постоянной проблемой.
Известно устройство, представляющее собой несущую систему летательного аппарата вертикального взлета и посадки по патенту США №2944762, кл. 244/12, 1960, которое содержит корпус и рабочее колесо с плоскими радиальными лопатками. Подъемная сила образуется за счет обтекания воздушным потоком аэродинамической поверхности, выполненной снаружи в верхней части устройства. На виде сверху эта поверхность имеет форму круга довольно большого радиуса для создания достаточной подъемной силы. Это приводит к увеличению габаритов устройства, что является его недостатком.
Известно устройство по патенту РФ №2118600 C1, кл. B64C, 1998, представляющее собой аэродинамический движитель, содержащий корпус и плоские радиальные лопатки, наружная поверхность корпуса выполнена в виде конической поверхности вращения, ограниченной сверху и снизу торцевыми поверхностями, причем радиус наружной поверхности плавно возрастает, начиная от верхней торцевой поверхности до нижней, при этом плоские радиальные лопатки закреплены на установленной в корпусе с возможностью вращения втулке с минимальным зазором относительно наружной поверхности корпуса.
Это устройство наиболее близко по своей технической сути к предлагаемому (прототип).
Подъемная сила у прототипа образуется при вращении втулки с лопатками. Воздух, находящийся в межлопаточных каналах, вращается вокруг оси вращения.
В силу неразрывности воздушной массы, находящейся в межлопаточных каналах, происходит перемещение частиц воздуха в канале от верхней части лопатки к нижней. При этом воздух в канале ускоряется в своем течении вниз.
В результате обтекания поверхности конуса воздушным потоком, статическое давление которого меньше атмосферного, образуется подъемная сила:
дин
Р - динамическое давление воздушного потока;
эф
S- эффективная площадь поверхности конуса (проекция площади конической поверхности на плоскость вращения).
На виде сверху эта поверхность имеет форму круга довольно большого радиуса для создания достаточной подъемной силы. Это приводит к увеличению габаритов устройства, что является его недостатком.
Целью изобретения является повышение эффективности и уменьшение размеров аэродинамического движителя за счет создания реактивной силы, направленной вверх при прямом истечении потока воздуха, направленного вниз.
В предлагаемом устройстве задача уменьшения диаметра и габаритов движителя, содержащего корпус и радиальные лопатки, может быть реализована следующим образом.
Корпус выполнен в виде цилиндрической камеры с плоской верхней крышкой, под корпусом закреплена нижняя крышка в виде конической поверхности вращения с установленным осевым воздухозаборником, между корпусом и конической крышкой размещено кольцевое выходное сопло, в которое встроен спрямляющий аппарат, а радиальные лопатки выполнены профилированными и закреплены на диске, образуя центробежное колесо.
Корпус, наружная поверхность которого выполнена в виде цилиндрической камеры с плоской верхней крышкой, конструктивно проще, чем в прототипе, где наружная поверхность корпуса выполнена в виде поверхности вращения, например конической, ограниченной сверху и снизу торцевыми поверхностями, причем радиус наружной поверхности плавно возрастает, начиная от верхней торцевой поверхности до нижней.
Корпус, выполненный в виде цилиндрической камеры с плоской верхней крышкой, и закрепленная на корпусе нижняя крышка в виде конической поверхности вращения с установленным осевым воздухозаборником образуют вихревую камеру, где происходит энергообмен воздушного потока.
Кольцевое выходное сопло, в которое встроен спрямляющий аппарат, служит устройством для создания прямой реактивной тяги при истечении воздушного потока, получившего в спрямляющем аппарате осевое направление.
Радиальные лопатки, выполненные профилированными и закрепленные на диске, образуя центробежное колесо, конструктивно проще плоских радиальных лопаток, закрепленных в прототипе на втулке с помощью спиц с возможностью вращения с минимальным зазором относительно наружной поверхности корпуса. Кроме того, известно, что профилированные лопатки эффективнее плоских.
На фиг.1 дан разрез предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство состоит из корпуса 1 с плоской верхней крышкой 3, под корпусом закреплена нижняя крышка 4 в виде конической поверхности вращения с установленным осевым воздухозаборником 5.
Между корпусом 1 и конической крышкой размещено кольцевое выходное сопло 6 и спрямляющий аппарат 7.
Внутри камеры расположены профилированные радиальные лопатки 2, закрепленные на диске 8, образуя рабочее центробежное колесо.
Устройство работает следующим образом. При вращении рабочего колеса профилированные радиальные лопатки 2, закрепленные на диске 8, создают разрежение на входе в воздухозаборник 5. В цилиндрической камере воздух закручивается и под действием центробежных сил поступает в кольцевое выходное сопло 6, где, получив осевое направление в спрямляющем аппарате 7, с большой скоростью выходит наружу, создавая реактивную тягу.
Тяга, создаваемая предлагаемым аэродинамическим движителем, определяется по известной формуле (В.И. Ханжонков. Аэродинамика аппаратов на воздушной подушке. М. «Машиностроение», 1972. стр.141):
2
Т=ρ·F·V, кГ.
Мощность воздушного потока, истекающего из сопла, определяется по формуле (В.И. Ханжонков. Аэродинамика аппаратов на воздушной подушке. М., «Машиностроение», 1972. стр.142):
2
где F, м - площадь кольцевого сопла;
2
4
ρ=0,125 кГ.с/м - плотность воздуха у земли;
V, м/с - скорость воздуха, выходящего из сопла.
2
Рассмотрим, для примера, аэродинамический движитель с кольцевым соплом площадью 0,1 м.
Задавшись скоростью выходящего воздуха 40 м/с, получим, что тяга равна
2
Т=0,125·0,1·40=20 кГ.
Мощность выходящего потока воздуха
Принимая коэффициент полезного действия устройства, равным 0,7 (как у центробежного вентилятора), находим требуемую мощность привода (двигателя):
2
На основании расчетов, которые здесь не приводятся, диаметр цилиндрической камеры составит 0,63 м, а площадь камеры равна 0,312 м.
Нагрузка на площадь составит:
что
2
в 3,7 раза выше, чем у вертолета Ми-34: 17,2 кГ/м.
2
Кольцевое сопло в нашем примере имеет наружный диаметр, равный 0,63 м, внутренний - 0,52 м, площадь - 0,1 м.
Из приведенных расчетов видно, что на базе предлагаемого аэродинамического движителя можно создать летательный аппарат вертикального взлета и посадки с небольшими габаритами.
Сопоставимый анализ заявляемого аэродинамического движителя с прототипом показывает, что заявляемый движитель отличается от известного тем, что:
корпус выполнен в виде цилиндрической камеры с плоской верхней крышкой, под корпусом закреплена нижняя крышка в виде конической поверхности вращения с установленным осевым воздухозаборником, между корпусом и конической крышкой размещено кольцевое выходное сопло, в которое встроен спрямляющий аппарат, а радиальные лопатки выполнены профилированными и закреплены на диске, образуя центробежное колесо.
Таким образом, заявленный аэродинамический движитель соответствует критерию изобретения «новизна».
Сравнение заявленного решения не только с прототипами, но и с другими техническими решениями в данной области позволило сделать вывод, что оно явным образом не следует из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Возможность использования заявленного движителя в авиационной технике обеспечивает ему критерий «промышленная применимость».
На фиг.2 показан пример компоновки аэродинамического движителя для легкого беспилотного вертикально взлетающего аппарата.
Основные элементы:
1 - аэродинамический движитель;
2 - двигатель (тепловой или электрический);
3 - контейнер с автоматикой и приборами;
4 - качалка;
5 - рычаг.
Устройство работает следующим образом.
При вращении от двигателя рабочее колесо создает разрежение в воздухозаборнике, в который входит окружающий воздух, поступающий под действием центробежных сил в кольцевое сопло, где спрямляющий аппарат направляет воздух вниз параллельно оси вращения, создавая реактивную тягу, направленную вверх.
Для создания горизонтальной составляющей подъемной силы (тяги) аэродинамический движитель отклоняется относительно контейнера с помощью качалок и рычагов, управляемых автоматикой.
На фиг.3 показан пример компоновки аэродинамического движителя для легкого беспилотного вертикально взлетающего аппарата с несущей поверхностью (крылом).
Основные элементы:
1 - аэродинамический движитель;
2 - двигатель (тепловой или электрический);
3 - несущая поверхность (крыло).
Примечание. Условно контейнер и элементы управления не показаны.
В данной компоновке, благодаря использованию крыла, в несколько раз повышается аэродинамическое качество вертикально взлетающего беспилотного летательного аппарата.