МОДЕЛЬ МАШУЩЕГО КРЫЛА

Полезная модель относится к области аэродинамики и может быть использована при моделировании аэродинамических процессов создания тяги машущими крыльями.
Известно устройство для моделирования аэродинамического процесса создания тяги машущими крыльями [1]. Известное устройство содержит установленный на корпусе модели коленчатый вал с противоположно ориентированными кривошипами, промежуточные валы, кинематически связанные с коленчатым валом, на промежуточных валах неподвижно установлены рычаги крепления машущих крыльев. Вращательные движения крыльев относительно их продольных осей в конце фаз маха (опускания) и взмаха (поднятия) происходят под действием их собственных инерционных сил, и эти движения крыльев называются соответственно супинацией и пронацией [2].
Недостаток известного устройства заключается в том, что перемещения исследуемого объекта отображаются в горизонтальном направлении. Кинематика маховых движений машущих крыльев этого устройства более приспособлена к созданию только горизонтальной тяги, что наблюдается при горизонтальном полете птиц, а также во время плавания пингвинов, морских черепах.
Наиболее близкое известное техническое решение к предполагаемой полезной модели - устройство для моделирования аэродинамического процесса создания тяги машущими крыльями [3], которое содержит источник энергии, механизм поступательного перемещения крыла, инерционный исполнительный элемент, модель возмущенного течения среды в виде взаимодействующих между собой разгонного вихря и присоединенного вихря крыла, формирующих секундные количества движений индуктивного потока в зонах подсасывания и отбрасывания соответственно  и , один выход
источника энергии подключен к одному входу механизма поступательного перемещения крыла, выход которого подключен к одному входу инерционного исполнительного элемента. Кинематика маховых движений крыльев известного устройства для моделирования близка к кинематике маховых движений насекомых из отрядов перепончатокрылых и двукрылых (пчел, ос, мух, комаров), способных осуществлять один из наиболее сложных режимов полета - зависание на одном месте, когда кинематика маховых движений крыльев более приспособлена к созданию преимущественно вертикальной составляющей тяги.
Недостаток прототипа заключается в том, что ограничены функциональные возможности моделирования аэродинамического процесса создания тяги машущими крыльями, поскольку вертикальная составляющая, создаваемой прототипом тяги, недостаточна для уравновешивания веса тел насекомых, которые в реальных условиях способны перемещаться в вертикальном направлении с ускорением. Исследование режимов зависания и вертикальных перемещений с ускорением представляет наибольший научный и практический интерес.
Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей моделирования аэродинамического процесса создания тяги машущими крыльями быстромашущих насекомых за счет осуществления наиболее полной физической имитации энергоемких режимов их полета - зависание и вертикальный взлет с учетом эффекта активной супинации машущего крыла в фазе маха.
Сущность полезной модели состоит в том, что, кроме известных и общих признаков, а именно: источника энергии, механизма поступательного перемещения крыла, инерционного исполнительного элемента, модели возмущенного течения среды в виде взаимодействующих между собой разгонного вихря и присоединенного вихря крыла, формирующих секундные количества движений индуктивного потока в зонах подсасывания и отбрасывания соответственно  и , один выход источника энергии подключен к одному входу механизма поступательного перемещения крыла, выход которого
подключен к одному входу инерционного исполнительного элемента, предлагаемая полезная модель дополнительно содержит блок алгебраического сложения секундных количеств движений индуктивного потока в зонах отбрасывания и подсасывания и механизм вращения крыла относительно его продольной оси, другой выход источника энергии подключен к одному входу механизма вращения крыла относительно его продольной оси, выход которого подключен к другому входу инерционного исполнительного элемента, выходы блока алгебраического сложения секундных количеств движений индуктивного потока в зонах отбрасывания и подсасывания связаны с соответствующими другими входами механизма поступательного перемещения крыла и механизма вращения крыла относительно его продольной оси.
Новизна полезной модели состоит в том, что предлагаемая модель машущего крыла дополнительно содержит блок алгебраического сложения секундных количеств движений индуктивного потока в зонах отбрасывания и подсасывания и механизм вращения крыла относительно его продольной оси, другой выход источника энергии подключен к одному входу механизма вращения крыла относительно его продольной оси, выход которого подключен к другому входу инерционного исполнительного элемента, выходы блока алгебраического сложения секундных количеств движений индуктивного потока в зонах отбрасывания и подсасывания связаны с соответствующими другими входами механизма поступательного перемещения крыла и механизма вращения крыла относительно его продольной оси, что обеспечивает расширение и функциональных возможностей моделирования аэродинамического процесса создания тяги машущими крыльями быстромашущих насекомых за счет осуществления наиболее полной физической имитации энергоемких режимов их полета - зависание и вертикальный взлет с учетом эффекта активной супинации машущего крыла в фазе маха.
Функциональная схема полезной модели представлена на фиг.1. Упрощенная кинематическая схема движений крыла, функционирующего в режиме зависания, изображена на фиг.2, а упрощенная аэродинамическая модель
образования вихрей и индуктивных потоков, возникающих при махо-восупинационном движении крыла, представлена на фиг.3.
На фиг.1, фиг.2, фиг.3 введены следующие условные обозначения:
1 - источник энергии;
2 - механизм поступательного перемещения крыла;
3 - механизм вращения крыла относительно его продольной оси;
4 - инерционный исполнительный элемент;
5 - модель возмущенного течения среды;
6 - разгонный вихрь;
7 - присоединенный вихрь крыла;
8 - индуктивный поток;
9 - граница зон подсасывания и отбрасывания индуктивного потока;
10 - секундное количество движения индуктивного потока в зоне подсасывания;
11 - секундное количество движения индуктивного потока в зоне отбрасывания;
12 - блок алгебраического сложения секундных количеств движений индуктивного потока в зонах отбрасывания и подсасывания;
13 - исходное положение крыла;
14 - точка начала траектории движения крыла в фазе маха;
15 - положение крыла при его махово-супинационном движении в фазе маха;
16 - стрелка, указывающая направление движения крыла в фазе маха;
17 - точка окончания траектории движения крыла в фазе взмаха;
18 - положение крыла при его махово-супинационном движении в фазе маха;
19 - положение крыла при движении в фазе пронации под действием его инерционных сил;
20, 21 - положение крыла при его махово-супинационном движении в фазе маха;
22 - положение крыла при его движении во флюгерном режиме в фазе взмаха;
23 - стрелка, показывающая направление движения крыла в фазе взмаха;
24 - начало траектории движения крыла в фазе взмаха;
25 - положение крыла при его махово-супинационном движении в фазе маха;
26 - окончание траектории движения крыла в фазе маха;
27 - положение крыла при его махово-супинационном движении в фазе маха;
28 - положение крыла при движении в фазе супинации под действием его инерционных сил;
29, 30, 31, 32, 33 - векторы скоростей индуктивного потока в зоне подсасывания;
34 - начало траектории движения присоединенного вихря машуще-супинирующего крыла и разгонного вихря;
35 - вектор скорости индуктивного потока в зоне подсасывания;
36 - положение разгонного вихря в фазе маха;
37 - вектор скорости индуктивного потока в зоне подсасывания;
38 - положение присоединенного вихря машуще-супинирующего крыла в фазе маха;
39 - вектор скорости индуктивного потока в зоне подсасывания;
40 - положение разгонного вихря в фазе маха;
41 - вектор скорости индуктивного потока в зоне подсасывания;
42, 43 - положение присоединенного вихря машуще-супинирующего крыла в фазе маха;
44 - положение разгонного вихря в фазе маха;
45 - окончание траектории движения присоединенного вихря машуще-супинирующего крыла в фазе маха;
46 - окончание траектории движения разгонного вихря;
47, 48, 49, 50 -. векторы скоростей индуктивного потока в зоне отбрасывания.
На фотографиях фиг.4, фиг.5, фиг.6, фиг.7, полученных в ходе проведенного эксперимента, проиллюстрированы последовательные один за другим положения крыла, разгонного вихря и индуктивного потока. В позиции "а" виден штатив, в котором установлено крыло. В позиции "б" изображен разгонный вихрь. Между ними расположен индуктивный поток "в", фронт которого наблюдается в позиции "г".
В исходном положении источник энергии 1 (фиг.1) подключен к входам механизма поступательного перемещения крыла 2 и механизма вращения крыла относительно его продольной оси 3, выходы которых подключены к соответствующим входам инерционного исполнительного элемента 4. Выход инерционного исполнительного элемента 4 подключен к входу модели возмущенного течения среды 5 и входам разгонного вихря 6 и присоединенного вихря крыла 7, участвующих в создании индуктивного потока 8, имеющего границу зон подсасывания и отбрасывания индуктивного потока 9. Для оценки и сравнения секундного количества движения индуктивного потока в зоне подсасывания 10 и секундного количество движения индуктивного потока в зоне отбрасывания 11 предназначен блок алгебраического сложения секундных количеств движений индуктивного потока в зонах отбрасывания и подсасывания 12, выходы которого подключены к соответствующим входам механизма поступательного перемещения крыла 2 и механизма вращения крыла относительно его продольной оси 3.
Предлагаемая модель машущего крыла работает следующим образом. С началом фазы маха энергия от источника энергии 1 (фиг.1) через - механизм поступательного перемещения крыла 2 и механизм вращения крыла относительно его продольной оси 3 передается на инерционный исполнительный элемент 4 - крыло, которое перемещаясь поступательно и одновременно поворачиваясь под действием подводимого крутящего момента относительно его продольной оси вращения, занимает положение, указанное в позиции 15 (фиг.2). Дальнейшее движение крыла происходит в направлении, указанном стрелкой 16. Совершая махово-супинационное движение - одновременное маховое и вращательное движения относительно продольной оси, крыло последовательно
занимает позиции 18, 20, 21, 25, 27. В точке 26 заканчивается махово-супинационное движение крыла. Дальнейшее перемещение крыла вдоль траектории от точки 26 до точки 24 происходит под действием его инерционной силы. Одно из положений крыла в фазе супинации показано в позиции 28. Фаза супинации заканчивается в позиции 24. Начинается фаза взмаха, когда движение крыла происходит в направлении, указанном стрелкой - позиция 23. В позиции 17 заканчивается фаза взмаха и начинается фаза пронации крыла, в которой под действием инерционных сил крыло также вращается относительно продольной оси, поскольку в это время происходит торможение крыла. Одно из положений крыла указано в позиции 19. С окончанием фазы пронации в позиции 13 заканчивается цикл маховых движений крыла.
Аэродинамический процесс создания тяги машущим крылом поясняется фиг.1 и фиг.3. Начало махово-супинационного движения крыла начинается в позиции 34 (фиг.3). Машуще-супинирующее крыло может быть заменено присоединенным вихрем 7 (фиг.1). Траектория движения этого вихря находится между позициями 34 и 45 (фиг.3). Присоединенный вихрь последовательно занимает положение, указанное позициями 38, 42, 43.
c
С началом движения крыла в позиции 34 образуется разгонный вихрь 6 (фиг.1). Начало и конец траектории его движения обозначены позициями 34 и 46 (фиг.3). Последовательные положения разгонного вихря обозначены позициями 36, 40, 44. Этот вихрь находится в поле действия присоединенного вихря. Оба вихря приводят в движение всю окружающую среду [4, с.352], формируя секундные количества движений индуктивного потока 8 (фиг.1) в зонах подсасывания 10 и отбрасывания 11 соответственно  и , где m-секундная масса индуктивного потока,  и  - векторы скоростей индуктивного потока соответственно в зонах подсасывания и отбрасывания. В позициях 29, 30, 31, 32, 33, 35, 37, 39, 41 (фиг.3) указаны векторы скоростей индуктивного потока в зоне подсасывания, а в позицях 47, 48, 49, 50 - векторы скоростей индуктивного потока в зоне отбрасывания. В итоге результатом взаимодействия машуще-супинирующего крыла с окружающей его средой, в соответствии с третьим законом механики, является возникновение тяги
которая определяется в блоке алгебраического сложения секундных количеств движений индуктивного потока в зонах отбрасывания и подсасывания 12 (фиг.1). Управляющее воздействие для изменения тяги с этого блока подается на входы механизма поступательного перемещения крыла 2 и механизма вращения крыла относительно его продольной оси 3 (фиг.1).
Определяющим фактором величины скорости индуктивного потока, следовательно и тяги, является активное махово-супинационное движение крыла в фазе маха, что позволяет рассматривать крыло как лопасть высокопроизводительной и энергоемкой центробежной машины. Проведен расчет тяги и мощности для быстромашущего движителя мухи Phormia regina. Критерием оценки достоверности расчетов были известные из публикаций масса тела насекомого, частота маховых движений крыльев и удельная мощность Крыловых мышц [5]. Установлено, что даже при коэффициенте полезного действия машущего движителя, равном 0.4, тяга и мощность, развиваемые движителем, достаточны для уравновешивания веса насекомого при совершении крыльями маховых движений по рассмотренной модели машущего крыла.
Промышленная применимость предложенной модели машущего крыла обосновывается тем, что в ней, в аналоге [1] и прототипе [3] используются известные элементы и узлы, которые рассмотрены в работе [2, с.34-42].
Положительный эффект состоит в том, что расширяются функциональные возможности аэродинамического процесса создания тяги машущими крыльями не менее чем в два раза, поскольку в прототипе моделируется только поступательное движение крыла с постоянным углом установки в фазе маха, в то время как в предлагаемой модели движение крыла поступательно-вращательное благодаря использованию дополнительного механизма вращения крыла относительно его продольной оси.
Список литературы
1. А.С. 1253020 СССР. (аналог).
2. Бей-Биенко Г.Я. Общая энтомология. - М.: Высшая школа, 1971. - 480с.
3. А.С. 447324 СССР, МПК В 64 С 33/02. Модель летательного аппарата. Заяв. 27.01.72, опубл. 25.10.74, Бюл. 39. (прототип).
4. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. Общий курс. - М.: Наука, 1964. - 814с.
5. Свидерский В.Л. Полет насекомого. - М.: Наука, 1980. - 136с.