Способ увеличения подъемной силы коптера с открытыми винтами
METHOD TO INCREASE LIFTING FORCE OF COPTER WITH OPEN PROPELLERS

Область техники, к которой относится изобретение: предлагаемый способ относится к коптерам - летательным аппаратам с вертикальным взлетом и посадкой.
Уровень техники:
Известно устройство вертикального взлета и посадки (аналог) (US 2013/0062454 А1, 14.03.2013, В64С 29/00, описание абзацы [0025]-[0037], [0047]-[0048], фиг. 1-9, всего 21 с), в котором между конусами 20 и 30 продувается воздух при помощи мотора и пропеллера, что приводит к уменьшению давления между конусами, но не приводит к созданию дополнительной подъемной силы, тогда как заявляемый способ направлен на увеличение подъемной силы.
В известном прототипе предлагается в каждой конусной конструкции устанавливать двигатель с пропеллером, тогда как в заявляемом способе предлагается закреплять аэродинамический экран в плоскости параллельной плоскости вращения воздушных винтов с отверстиями для вращающихся воздушных винтов в непосредственной близости от этих винтов. Таким образом, в заявляемом способе предлагается закреплять на коптера единый аэродинамический экран, что, по мнению автора, в максимальной степени позволяет использовать эффект увеличения подъемной силы от его установки.
Известен самолет для вертикального взлета и посадки (аналог) (US 2016/0368600 А1, 22.12.2016, В64С 29/00, описание абзацы [0007]- [0010], [0111]-[0113], фиг. 2, всего 31 с, содержащий, по меньшей мере, одну первую часть крыла, обеспечивающую подъемную силу во время горизонтального полета; по меньшей мере одно отверстие крыла, расположенное на вертикальной оси по меньшей мере одной первой части крыла; и, по меньшей мере, один движитель на основе пропеллера, включающий в себя установленный на ободе винт, не имеющий центральной ступицы и расположенный внутри, по меньшей мере, одного отверстия крыла для обеспечения вертикальной тяги во время вертикального полета. Таким образом, в горизонтальном оперении летательного аппарата предлагается выполнять сквозные отверстия и в них устанавливать пропеллеры в плоскости горизонтального оперения летательного аппарата, причем горизонтально оперение летательного аппарата обеспечивает подъемную силу во время горизонтального полета, тогда как, в заявляемом способе аэродинамический экран не является крылом и не предназначен для обеспечения подъемной силы во время горизонтального полета. Назначение заявляемого аэродинамического экрана и способа его использования заключается в увеличении подъемной силы коптера, за счет пониженного воздушного давления в приграничном воздушном слое над верхней поверхностью заявляемого аэродинамического экрана во время вращения воздушных винтов.
Известен летательный аппарат для вертикального взлета и посадки (аналог) US 2017/0158322 А1, 08.06.2017, В64С 29/00, описание абзацы [0011]-[0012], [0022]-[0025], фиг. 2-6, всего 14 с. в крыле которого размещены воздуховоды и в каждом из которых размещены пропеллер и мотор, причем каждый воздуховод снабжен подвижной крышкой, которые закрываются во время использования набегающего потока для создания подъемной силы, тогда как в заявляемом способе не предлагается использовать аэродинамический экран в качестве крыла, т.к. аэродинамический экран и способ его использование не предназначены для обеспечения подъемной силы за счет использования набегающего потока, например, во время горизонтального полета. Назначение заявляемого аэродинамического экрана и способа его использования заключается в увеличении подъемной силы коптера, которую обеспечивают пропеллеры коптера, в том числе и во время горизонтального полета.
Известен Комбинированный летательный аппарат (аналог) RU 2012512 С1, 15.05.1994, В64С 29/00, описание с. 4 строка 40 - с. 5 строка 21, фиг. 1,2, всего 11 с., содержащий корпус, выполненный в виде толстого центрального крыла с несимметричным поперечным профилем, имеющего тоннель с открытыми входным и выходным отверстиями, в котором установлен подъемный винт, боковые крылья и хвостовое оперение, маршевые винты, силовую установку для привода маршевых и подъемного винтов и посадочное устройство на воздушной подушке, охватывающее выход из тоннеля, отличающийся тем, что он снабжен системой изменения общего и циклического шага лопастей подъемного винта, причем площадь поперечного сечения тоннеля в плоскости вращения подъемного винта составляет 0,3-0,8 от площади воздушной подушки посадочного устройства, при этом входное отверстие тоннеля образовано торовой поверхностью, сопряженной с верхней поверхностью центрального крыла.
Несмотря на кажущееся сходство известного комбинированного летательного аппарата с коптером после модернизации согласно заявляемого способа, а именно закрепления на коптере аэродинамического экрана в плоскости параллельной плоскости вращения воздушных винтов с отверстиями для вращающихся воздушных винтов в непосредственной близости от этих винтов, в заявляемом способе увеличения подъемной силу не используется корпус, выполненный в виде толстого центрального крыла с несимметричным поперечным профилем, имеющего тоннель с открытыми входным и выходным отверстиями, в котором установлен подъемный винт. Также в заявляемом способе увеличения подъемной силу коптера не предлагается использовать систему изменения общего и циклического шага лопастей подъемного винта, а предлагается закрепить аэродинамический экран в плоскости параллельной плоскости вращения воздушных винтов с отверстиями для вращающихся воздушных винтов в непосредственной близости от этих винтов.
Известен способ регулирования подъемной силы летательного аппарата (прототип) (RU 2647363 С2, 12.09.2016, В64С 21/00, F15D 1/12) путем регулирования тяги двигателя летательного аппарата и изменения профиля крыла, или снижения давления в верхней части крыльев при посадке и взлете, отличающийся тем, что при посадке и взлете над верхней частью крыльев, преимущественно над передними кромками, и фюзеляжа понижают давление за счет распыла криогенной жидкости, например, жидкого азота или воздуха. Указанный способ выбран в качестве прототипа, т.к. в нем применяется аналогичный заявляемому изобретения подход, направленный на увеличение подъемной силы летательного аппарата, за счет снижения давления над верхней поверхностью крыла, Однако, в известном способе уменьшение давления над верхней поверхностью крыла достигается за счет распыла криогенной жидкости, например, жидкого азота или воздуха, преимущественно над передними кромками [крыла], тогда как в заявляемом способе увеличения подъемной силы коптера достигается в результате закрепления аэродинамического экрана в плоскости параллельной плоскости вращения воздушных винтов с отверстиями для вращающихся воздушных винтов в непосредственной близости от этих винтов.
Известен Способ формирования подъемной силы (аналог) (RU 2 577 753 С1, 17.03.2015, МПК В64С 21/06, B64D 27/02) за счет управления пограничным слоем в верхней части крыла летательного аппарата, выполненного с системой отбортованных отверстий в виде полой усеченной фигуры с уменьшающимся внутрь крыла поперечным сечением отверстий. Отсос пограничного слоя из верхней части крыла выполняют раздельно для правого борта радиальным вентилятором одностороннего всасывания правого вращения и для левого борта радиальным вентилятором одностороннего всасывания левого вращения.
Указанный способ выбран в качестве аналога, т.к. в нем применяется аналогичный заявляемому изобретения подход, направленный на увеличение подъемной силы летательного аппарата, за счет снижения давления над верхней поверхностью крыла, Однако, в известном способе уменьшение давления над верхней поверхностью крыла достигается за счет отсоса пограничного слоя из верхней части крыла, тогда как в заявляемом способе увеличения подъемной силы коптера достигается в результате закрепления аэродинамического экрана в плоскости параллельной плоскости вращения воздушных винтов с отверстиями для вращающихся воздушных винтов в непосредственной близости от этих винтов.
Раскрытие изобретения
Задачей заявляемого способа является увеличение подъемной силы коптера. Для достижения этой цели в плоскости, параллельной плоскости вращения воздушных винтов, на коптере закрепляют аэродинамический экран с отверстиями для вращающихся воздушных винтов в непосредственной близости от этих винтов (фиг. 1). В результате над указанным аэродинамическим экраном, при вращении воздушных винтов, возникает пониженное воздушное давление в соответствии с законом Бернулли и как следствие, возникает дополнительная подъемная сила коптера.
Суть закона Бернулли, в частности для сжимаемого идеального газа, заключается в понижении давления в газовом потоке при увеличении скорости данного газового потока. Найдено в сети Интернет 11.11.2018):
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D0%91%D0%В5%D1%80%D0%BD%D1%83%D0%BB%D0%BB%D0%B8
Наглядной иллюстрацией действия закона Бернулли может служить физический опыт с двумя параллельными листами бумаги, между которых экспериментатор вдувает воздух изо рта (фиг. 2). В результате листы бумаги пытаются приблизиться друг к другу. Притягивание листов друг к другу объясняется законом Бернулли, т.к. скорость воздуха между листами выше, чем скорость воздуха с внешней стороны листов (там воздух имеет нулевую скорость), поэтому воздушное давление между листами в соответствии с законом Бернулли становиться ниже, чем давление воздуха с внешней стороны листов.
Таким образом, закрепление в непосредственной близости от воздушных винтов коптера заявленного аэродинамического экрана с отверстиями для этих винтов в плоскости, параллельной плоскости вращения воздушных винтов коптера, приводит к тому, что при вращающихся воздушных винтах в приграничной области над поверхностью аэродинамического экрана возникают воздушные потоки с определенной скоростью, направленные к оси вращения воздушных винтов коптера, что в свою очередь, в соответствии с законом Бернулли, приводит к эффекту понижения воздушного давления над верхней поверхностью заявленного аэродинамического экрана и как следствие, приводит к увеличению подъемной силы коптера.
Причем, по мнению автора, этот положительный эффект в максимальной степени реализуется при нулевой горизонтальной скорости коптера, что может быть особенно полезно при видео и фото съемке с коптера, например, поверхности земли, в режиме зависания коптера.
Направления воздушных потоков, возникающих в результате закрепления на коптере заявленного аэродинамического экрана в плоскости, параллельной плоскости вращения воздушных винтов коптер, приведены на фиг. 3, 4 и 5. Как видно из рисунков аэродинамический экран может быть, как плоской формы, так и изогнутой формы. Именно понижение воздушного давления над верхней поверхностью заявляемого аэродинамического экрана во время вращения воздушных винтов коптера и создает дополнительную подъемную силу коптера, заявленную в данном изобретении.
Техническим результатом размещения аэродинамического экрана в плоскости, параллельной плоскости вращения воздушных винтов коптера, является создание дополнительной подъемной силы во время вращения воздушных винтов за счет создания над заявленным аэродинамическим экраном пониженного воздушного давления в соответствии с законом Бернулли.
Сущность изобретения как технического решения заключается в следующем.
В плоскости, параллельной плоскости вращения воздушных винтов коптера, закрепляют аэродинамический экран с отверстиями для вращающихся воздушных винтов в непосредственной близости от этих винтов (фиг. 1). Во время вращения воздушных винтов коптера в приграничном слое над поверхностью аэродинамического экрана создаются воздушные потоки (фиг. 3, 4 и 5), которые в свою очередь, в соответствии с законом Бернулли, создают область пониженного воздушного давления над аэродинамическим экраном. Указанное пониженное воздушное давление и создает дополнительную подъемной силу коптера, заявленную в данном изобретении.
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1 Коптер с закрепленным аэродинамическим экраном в плоскости, параллельной плоскости вращения воздушных винтов в непосредственной близости от этих винтов Фиг. 2 Представляет демонстрацию закона Бернулли, при котором повышение скорости воздушного потока между листами приводит к уменьшению давления между листами и как, следствие, приводит к их сближению
Фиг. 3 Представляет направления воздушных потоков в приграничном воздушном слое над верхней поверхностью заявленного аэродинамического экрана (вид сверху) Фиг. 4 Представляет направления воздушных потоков в приграничном слое над поверхностью плоского аэродинамического экрана (вид сбоку, разрез по вертикальной плоскости, проходящей через ось двигателя)
Фиг. 5 Представляет направления воздушных потоков в приграничном слое над поверхностью изогнутого аэродинамического экрана (вид сбоку, разрез по вертикальной плоскости, проходящей через ось двигателя)
Фиг. 6 Испытательный стенд для выявления оптимального размера заявленного аэродинамического экрана
Осуществление изобретения.
Аэродинамический экран жестко закрепляется на корпусе коптера в плоскости, параллельной плоскости вращения воздушных винтов коптера. Взаиморасположение аэродинамического экрана и каждого из горизонтальных винтов коптера приведено на фиг. 1. Важно чтобы размер отверстий в аэродинамическом экране был достаточным для вращения винтов с учетом возможного отклонения моторов во время маневрирования коптера.
Во время горизонтального перемещения коптера отрицательный угол атаки аэродинамического экрана в направлении движения коптера не должен порождать отрицательную подъемную силу из-за отсутствия повышенного давления над верхней поверхностью аэродинамического экрана в силу наличия над верхней поверхностью заявленного аэродинамического экрана постоянного пониженного воздушного давления (при вращающихся винтах) обусловленного законом Бернулли.
Отчет о полученных экспериментальных данных
С целью выявления оптимального размера аэродинамического экрана был создан испытательный стенд (крутильный динамометр). Фотография стенда приведена на фиг. 6. Сила тяги, развиваемая электродвигателем с воздушным винтом, измерялась крутильным динамометром по относительной шкале, выраженной в градусах поворота стрелки крутильного динамометра. Вертикальность оси вращения крутильного динамометра установлена по отвесу.
Исходные данные для эксперимента:
1. Диаметр воздушного винта - 36 мм
2. Диаметр плоского аэродинамического экрана 1 равен 52,5 мм (+46% от диаметра воздушного винта)
3. Диаметр плоского аэродинамического экрана 2 равен 70 мм (+94% от диаметра воздушного винта)
4. Диаметр изогнутого аэродинамического экрана 3 равен 70 мм (+94% от диаметра воздушного винта)
5. Диаметр плоского аэродинамического экрана 4 равен 84 мм (+133% от диаметра воздушного винта)
6. Диаметр плоского аэродинамического экрана 5 равен 116 мм (+222% от диаметра воздушного винта)
В результате проведенных экспериментов получены следующие результаты:
1. Прирост силы тяги, развиваемой электродвигателем с винтом и с плоским аэродинамическим экраном 1 (0 52,5 мм), составил - 0%
2. Прирост силы тяги, развиваемой электродвигателем с винтом и с плоским аэродинамическим экраном 2 (0 70 мм), составил - 7%
3. Прирост силы тяги, развиваемой электродвигателем с винтом и с изогнутым аэродинамическим экраном 3 (0 70 мм), составил -11,5%
4. Прирост сила тяги, развиваемой электродвигателем с винтом и с плоским аэродинамическим экраном 4 (0 84 мм), составил - 7%
5. Прирост сила тяги, развиваемой электродвигателем с винтом и с плоским аэродинамическим экраном 5 (0116 мм), составил - 7%
6. Изменение формы внешних краев плоских экранов, например, загнутые вперед по движению винта или загнутые назад по движению винта, не приводит к заметному приросту силы тяги.
7. Таким образом, оптимальный диаметр аэродинамического экрана для одиночного воздушного винта лежит в пределах: от «диаметр винта+50%» до «диаметр винта+100%». Дальнейшее увеличение диаметра аэродинамического экрана не приводит к заметному увеличению силы тяги электродвигателя с воздушным винтом.
8. По внутреннему диаметру аэродинамический экран должен иметь плавный загиб в сторону своей нижней поверхности, для исключения возникновения эффекта Бернулли на нижней поверхности аэродинамического экрана показано на фиг. 5.
9. Изогнутый аэродинамический экран показал больший прирост силы тяги (+11,5%), чем плоский аэродинамический экран такого же диаметра (+7%). Вместе с тем, менее эффективный плоский аэродинамический экран также может найти свое применение из-за простоты его изготовления.
Краткое описание эксперимента:
1. Сила тяги электродвигателя с винтом измерялась крутильным динамометром с вертикальным размещение скручивающейся пружины. Такая конструкция выбрана с целью минимизации ошибок измерения, вызванных гравитацией и с целью повышения чувствительности динамометра.
2. Траектория движения электродвигателя с воздушным винтом во время эксперимента имеет форму кругу (сектора) в горизонтальной плоскости.
3. Электродвигатель с воздушным винтом жестко закреплен на плече крутильного динамометра. Ось вала электродвигателя лежит в горизонтальной плоскости. Ось вращения крутильного динамометра лежит в вертикальной плоскости. Кратчайшее расстояние между осью электродвигателя и осью крутильного динамометра проходит по коромыслу крутильного динамометра, на котором закреплен электродвигатель.
4. Вертикальность оси вращения крутильного динамометра выставлена по отвесу.
5. Для уменьшения ошибок измерения, вызванных неидеальной вертикальностью оси вращения динамометра, а также для уменьшения сил трения, вес электродвигателя с воздушным винтом сбалансирован грузом соответствующей массы, размещенным на противоположном плече крутильного динамометра.
6. Угол отклонение измерительной стрелки крутильного динамометра пропорционален силе тяги электродвигателя с воздушным винтом.
7. Все измерения проводились в угловых градусах, а итоговый результат вычислен в относительной величине: «Прирост силы тяги в процентах». Такой подход позволяет не измерять точное значение силы тяги в ньютонах.
8. Для снижения влияния нелинейных погрешностей измерений, параметры стенда подобраны таким образом, чтобы отклонение стрелки при максимальной силе тяги электродвигателя с воздушным винтом лежало в пределах 1/3 (60 градусов) от всей доступной шкалы измерения, равной 180 градусов.
9. Вся конструкция крутильного динамометра подвешена на стальной игле, упирающейся в коническое углубление из закаленного металла для уменьшения силы трения и уменьшения зоны нечувствительности.
10. Погрешность измерения угла поворота от влияния соединительных электрических проводов не учитывалось в предположении, что это влияние в равной степени действует при измерениях как воздушного винта с аэродинамическим экраном, так и при измерениях для воздушного винта без аэродинамического экрана. Для уменьшения механического влияния от электрических проводов они скручены в спирали, которые размещены максимально близко к оси вращений крутильного динамометра.
11. Замена аэродинамических экранов производилась без остановки электродвигателя. Замена аэродинамических экранов осуществлялась максимально быстро - в течение 5-8 секунд. Быструю замену аэродинамических экранов обеспечивал двухсторонний скотч, предварительно закрепленный на аэродинамических экранах в местах контакта. Отказ от остановки электродвигателя во время эксперимента имеет своей целью устранение переходных процессов в электродвигателе во время его остановки и запуска.
12. Замер силы тяги проводился сначала без аэродинамического экрана затем с установленным аэродинамическим экраном, затем контрольный замер опять без аэродинамического экрана и так последовательно для всех пяти аэродинамических экранов различных размеров и форм. Это делалось для исключения влияния скачков напряжения в электрической сети. Все показания записывались.
13. Сила тяги электромотора с винтом без аэродинамических экранов во всех экспериментах оставалась стабильной и постоянной в течение 8-10 минут эксперимента, что подтверждает частоту эксперимента.
14. Питание электродвигателя осуществлялось от промышленного блока питания со следующими характеристиками:
INPUT: АС100-240 v, 50-60 Hz
OUTPUT: DC12 v, 1500 mA
15. Ток, потребляемый электродвигателем, составлял 250 mA, напряжение на выводах электродвигателя составляло 12,47 v, т.е. блок питания обладает необходимым запасом мощности для гарантированного и бесперебойного энергоснабжения электродвигателя в течение длительного времени.
16. Колебательный процесс измерительной стрелки относительно точки равновесия затухал самостоятельно без внешнего воздействия (торможения) за счет специально увеличенного аэродинамического сопротивления плеч крутильного динамометра.
Все вышеуказанные подходы и технические решения обеспечили достаточную точность измерений и 100% повторяемость эксперимента.
Вывод: Применение заявленного изобретения позволило увеличить силу тяги электродвигателя с воздушным винтом на 11,5% при использовании изогнутого аэродинамического экрана с диаметром на 94% большим, чем диаметр воздушного винта.