Подъемно-транспортная система для самолета вертикального взлета и посадки на базе аэродинамического эффекта Магнуса

2010

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность

№ 151

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК.621.548.4

ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ САМОЛЕТА ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ НА БАЗЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА МАГНУСА

Л. В. МИХНЕНКОВ

Представлено описание принципа работы подъемно-транспортной системы для летательного аппарата вертикального взлета и посадки, базирующейся на использовании аэродинамического эффекта Магнуса. Приведены некоторые результаты расчета и конструктивный облик такой системы.

Ключевые слова: подъемно-транспортная система, эффект Магнуса, самолет вертикального взлета и посадки, принцип работы,расчеты.

В МГТУ ГА проводятся расчетные исследования летательного аппарата вертикального взлета и посадки, имеющего подъемно-транспортную систему (ПТС), принципиально отличную от вертолета. Она базируется на использовании известного в аэродинамике эффекта Магнуса, заключающегося в том, что при поперечном обтекании воздушным потоком вращающегося цилиндра на нем возникает подъемная сила, которая превосходит подъемную силу неподвижного крыла в 8 - 10 раз.

Как показывают расчеты, выполненные с учетом опытных данных, полученных при продувке вращающихся цилиндров в Англии, Германии и Америке [1] так называемая вихревая ПТС, позволяет летательному аппарату произвести вертикальный взлет и посадку, осуществить полет и на режиме висения выполнить различные маневры [2 - 4].

Принцип работы ПТС заключается в следующем.

Воздушный поток на взлетном режиме образуется винтомоторной группой 5, 6 (рис. 1), отклоняется в направляющем аппарате (НА) 4 и обтекает решетку вращающихся цилиндров 1 (вихревую решетку (ВР)) под некоторым углом атаки.

Рис. 1

Благодаря аэродинамическому эффекту Магнуса на ВР возникают подъемное и тяговое усилия, воздействующие на летательный аппарат. Цилиндры вращаются силовыми агрегатами 2, которые питаются газом или электроэнергией от двигателя 3. Возможен и механический их привод непосредственно от двигателя. Для обеспечения полного обтекания ВР воздухом при разных углах атаки она перемещается вверх или вниз вместе с поворотной частью направляющего аппарата и двигателем 3 при помощи пантографа 8, приводимого в движение силовым устройством 7. Все агрегаты ПТС смонтированы на общей силовой раме 9.

На рис. 2 изображены векторные планы сил, приложенных к ВР на различных режимах работы ПТС.

V

а=0

"п

. ?С=Р

Рис. 2

Поток воздуха от винта 5 (рис. 1) проходит через НА, и если его угол установки а равен нулю, план действующих на ВР сил будет таким, как показано на рис. 2а. Сила Магнуса Рп, перпендикулярная направлению течения, в данном случае направлена вертикально вверх и равна У. Суммарное тяговое усилие, равное разности силы тяги Я, создаваемой этим потоком при выходе из ВР, и суммарной аэродинамической силы сопротивления Рт ступени ВР, состоящей из НА и ВР, направлено против потока и на этом режиме работы равно X. Р - векторная сумма всех действующих на ПТС сил, приведенная к ВР. Угол в показывает различие в направлениях векторов Р и Рп. Такой расклад сил характерен для переходного режима от вертикального взлета к горизонтальному полету.

В режиме вертикального взлета (посадки) или висения поток повернут в НА на угол а = р. В данном случае суммарная сила Р будет направлена вертикально вверх (рис. 2б), равна У, а ее проекция X = 0. НА позволяет за счет изменения угла а осуществлять в режиме висения свободное маневрирование ЛА во всех направлениях и вокруг вертикальной оси.

После выхода на режим горизонтального полета винтомоторная группа (5, 6 рис. 1) отключается (Я = 0), а встречный поток воздуха разворачивается направляющим аппаратом на некоторый положительный угол а > р (рис. 2в). Соответственно, вектор суммарной силы Р отклонится вперед по движению летательного аппарата (ЛА), создавая полезную тягу РЯ = X, пропорциональную синусу угла поворота, и уменьшая подъемную силу У пропорционально его косинусу (У падает медленнее, чем растет X). Необходимо также отметить, что возникающие в НА, находящемся в повернутом положении, аэродинамические усилия X и У (рис. 3) уменьшают подъемную и тяговую силы X и У, приложенные к ПТС. Однако величина этого уменьшения относительно невелика (3 % - 8 %). На данном режиме работы котангенс угла р равен аэродинамическому качеству ПТС.

В результате при отключенной подъемной винтомоторной группе полет будет осуществляться лишь за счет воздействия на летательный аппарат подъемной и тяговой сил, создаваемых ступенью ВР, приводимой во вращение своим двигателем. Дефицит несущей подъемной силы компенсируется при этом применением крыльев.

Затраты топлива на обеспечение работы приводного двигателя ВР 3 (рис. 1), выполняющего в режиме горизонтального полета функции маршевого двигателя, по сравнению с его затратами на винтомоторную группу, снизятся в несколько раз. У вертолета винтомоторная группа должна работать на протяжении всего полета, поскольку он все время "висит" на своем несущем винте. Таким образом, дальность полета летательного аппарата с предлагаемой ПТС может также в несколько раз превосходить дальность полета вертолета.

Безопасность полета - важнейшая характеристика любого летательного аппарата. Конструкция ПТС предоставляет возможность в случае выхода из строя винтомоторной группы или приводного дви-

Рис. 3

гателя ВР совершить посадку на обычном аэродроме "по самолетному", завершив полет с использованием одного из этих элементов.

В МГТУ ГА были выполнены расчеты ПТС, имеющей следующие составные элементы.

Для винтомоторной группы выбран двигатель Д136 (мощность двигателя на взлетном режиме Квз = 8500 кВт, удельный расход топлива се = 0,263 кг/(кВтч) и винт типа АВ-92 Ступинского авиапредприятия (диаметр винта = 6,2 м). В качестве приводного двигателя используется двигатель ВК-1500 мощностью 1176 кВт при среднем удельном расходе топлива суд =0,36 кг/(кВтч). Число ПТС равно четырем (п = 4).

В результате расчетов получены следующие параметры ПТС.

Число рабочих цилиндров ВР х = 6; диаметр цилиндра ё0 = 0,4 м; его длина 1 = 4,5 м; частота вращения п = 10300 об/мин (8400 об/мин); окружная скорость и0 = 216 м/с (175 м/с); потребная мощность привода Кг = 890 кВт (395 кВт). В круглые скобки заключены параметры на режиме горизонтального полета.

Расчетами установлено, что возможно создание летательного аппарата вертикального взлета и посадки, взлетная масса которого составляет более 100 т (что в два раза превосходит взлетную массу самого большого в мире вертолета МИ-26), а дальность полета - порядка 7000 км (у МИ-26 - 1000 км). Скорость полета летательного аппарата 300 км/ч - 350 км/ч.

Перед летательным аппаратом такого типа открывается заманчивая перспектива: перевозить на дальние расстояния тяжелые грузы и значительное количество пассажиров в трудно доступных районах мира, вести там и в отдаленных от материка областях океана спасательные работы, патрулировать и производить эксплуатационно-ремонтные работы на газовых и нефтяных магистралях и шельфовых платформах, осуществлять транспортировку и десантирование пехоты и военной техники и т. д. Наконец, данная ПТС может быть с успехом применена в дирижаблестроении.

На рис. 4 представлена объемная модель ПТС, а на рис. 5 - трехмерная модель летательного аппарата.

Рис. 5

В заключение необходимо отметить, что для получения достоверных результатов расчетов летательного аппарата данной конструкции необходимо провести экспериментальное исследование ВР с целью определения ее аэродинамических характеристик. Подобные исследования, насколько известно автору, не проводились.

ЛИТЕРАТУРА

1. Busemaii A. Messungen an rotierenden Zylindern. Ergebn der Aerodyn. Versuchsanst. Zu Gött., IV, 101, 1932.

2. Михненков Л.В. Вихревая подъемно-транспортная система // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 81, 2005.

3. Патент № 2272748 РФ. Подъемно-транспортная система / Л.В. Михненков. 2006.

4. Михненков Л.В. Аэродинамический эффект Магнуса, как базовый принцип некоторых авиационных и ветроэнергетических устройств: монография. - М.: МГТУ ГА, 2008.

VORTEX LIFT-TRANSPORT SYSTEM

Mikhnenkov L.V.

The above is about the possibility of Magnuss effect using in aircrafts of vertical take off and landing.

Сведения об авторе

Михненков Лев Владимирович, 1933 г.р., окончил МВТУ им. Баумана (1957), академик Российской академии космонавтики им. Циолковского, профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой начертательной геометрии и графики МГТУ ГА, автор более 100 научных работ, область научных интересов - математическое моделирование термогазодинамических процессов авиационных газотурбинных двигателей, ветроэнергетические установки и подъемно-транспортные системы летательных аппаратов нетрадиционных схем.