Баллистический способ создания подъемной силы

ТРИ ПРИНЦИПА СОЗДАНИЯ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ

Летательные аппараты — это технические устройства, предназначенные для выполнения определенных задач в воздушной среде. Летательными аппаратами принято считать все аппараты тяжелее или легче воздуха, движущиеся в атмосфере или в космическом пространстве под действием аэродинамических и аэростатических сил, сил реакции или по инерции. Характер выполняемых задач зависит от типа и назначения того или иного летательного аппарата.

Но условие для осуществления полета летательных аппаратов любого типа и назначения общее — они должны преодолевать силу земного притяжения, т. е. в процессе полета создавать подъемную силу, равную силе притяжения Земли или превышающую ее. Известны три основных принципа создания подъемной силы: аэростатический, аэродинамический и реактивный. Соответственно все летательные аппараты можно разделить на три большие группы.

Летательные аппараты, у которых подъемная сила образуется по аэростатическому принципу, образуют группу летательных аппаратов легче воздуха. Аэростатический принцип создания подъемной силы можно объяснить, используя закон Архимеда, одинаково справедливый как для жидкой, так и для воздушной среды: «Сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость или газ тело, равна весу жидкости или газа в объеме этого тела».Летательные аппараты, основанные на аэростатическом принципе, называются воздушными шарами или аэростатами (рис. 6)

Стратостаты — это аэростаты, предназначенные для полетов на большие высоты, в стратосферу. Они отличаются от обычных аэростатов наличием герметической кабины. Управляемые аэростаты, оборудованные двигателями, называются дирижаблями.

Оболочка дирижабля удлиненной формы. >Кроме гондолы, он имеет силовую установку, создающую силу тяги, необходимую для перемещения его в воздухе, а также рули, с помощью которых можно по желанию летчика изменять направление движения. Основные достоинства аппаратов легче воздуха заключаются в том, что они могут подниматься и опускаться вертикально и даже неподвижно «висеть» в воздухе без дополнительной затраты энергии.

Недостатки этих аппаратов — плохая маневренность и малая скорость полета. У летательных аппаратов второй, наиболее многочисленной группы, подъемная сила образуется по аэродинамическому принципу, при их перемещении относительно воздуха. Это летательные аппараты тяжелее воздуха (рис. 7).

Прежде всего к ним относятся самолеты различного типа и назначения. Подъемная сила создается несущими поверхностями, в основном крылом, при перемещении самолета относительно воздуха в результате работы двигательной установки. При этом сила тяги, создаваемая двигательной установкой, позволяет самолету преодолевать сопротивление воздуха. Планеры, в отличии от самолета, не имеют двигательной установки, но подъемная лала, так же как и у самолета, создается крылом при перемещении планера. К этой же группе относятся вертолеты и автожиры.

У вертолётов подъемная сила создается несущим винтом, приводимым во вращение двигательной установкой. У автожиров подъемную силу создает специальный винт, который вращается от набегающего потока воздуха, поступательное движение осуществляется благодаря двигательной установке. К летательным аппаратам, подъемная сила которых создается по реактивному ракетному принципу относятся ракеты и космические корабли различного типа и назначения, реактивные снаряды. Авиационные модели — это тоже летательные аппараты.

В уменьшенном виде они или копируют прототип, или схематически воспроизводят его. Летающие модели допускаемые к соревнованиям, имеют; ограничения по площади несущих поверхностей, полетной, массе, рабочему объему или массе двигателя Под несущей поверхностью летающих моделей подразумевается суммарная площадь крыла и горизонтальной стабилизирующей поверхности .

Площадь несущих поверхностей должна быть не более 150 дм/куб, масса модели-не более 5 кг , рабочий объём не более 10 см/куб. летающие модели по характеру полёта делятся на свободнолетающие ,кордовые и радио управляемые.Свободным называется полёт ,во время которого между летающей моделью и моделистом отсутствует всякая связь ,кроме визуальной Свободнолетающими являются модели планеров ,самолетов с резиновыми и поршневыми двигателями (таймерные) ,вертолётов (рис-8).

Полётом кордовой модели моделист, находящийся на земле , управляет посредством нерастягивающихся нитей –тонкой стальной проволоки или тросиков .Кордовыми моделями могут быть скоростные , гоночные ,пилотажные, модели « воздушного боя» и копии реальных самолётов (рис-9)

Во время радиоуправляемого полёта моделист , находящийся на земле управляет моделью подовая радиокоманды .Управляемые по радио могут быть летающие модели планеров ,самолётов и вертолётов , а также модели этих летательных аппаратов(рис-10)

Источник

ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ

ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ — ПОЧЕМУ И КАК ОНИ ЛЕТАЮТ

Летательные аппараты (ЛА) — это технические устройства, тяжелее или легче возду , предназначенные для выполнения определенных задач в воз­душной среде. На все типы ЛА в полете действует сила земного притяжения (сила тяжести). Для ее преодоления ЛА должны создавать во время полета подъемную силу. Способ создания подъемной силы определяет принцип полета ЛА и их классификацию.

По принципу полета Л А можно разделить на следующие группы:

— ЛА с аэростатическим принципом полета, в которых подъемная сила создается благодаря выталкивающей (архимедовой) силе, действующей на находящееся в воздухе тело, более легкое, чем воздух в объеме этого тела;

— Л А с аэродинамическим принципом полета, где подъемная сила созда­ется в результате силового воздействия воздуха на тело, которое в нем пере­мещается;

— Л А с ракетодинамическим принципом полета, где подъемная сила созда­ется силами реакции при отбрасыва­нии части массы летящего тела;

— Л А с баллистическим принципом полета, в которых подъемная сила определяется силой инерции, запа­сенной на начальном участке траек­тории полета.

Аэростатические ЛА (их часто на­зывают воздухоплавательными) ис­пользуют для полета подъемную си­лу газов, более легких, чем воздух.

Воздухоплавательный принцип соз­дания подъемной силы можно объяс­нить, используя закон Архимеда, одинаково справедливый как для жидкой, так и для воздушной среды:

«Сила, выталкивающая целиком по­груженное в жидкость или газ тело, равна весу жидкости или газа в объе­ме этого тела».

К летательным аппаратам, осно­ванным на аэростатическом принципе, принадлежат воздушные шары или аэростаты

а — аэростат свободный сферический, б — стратостат; в — дирижабль.

Аэростаты, предназначенные для полетов в стра­тосферу, называются стратостатами. Они отличаются от обычных аэро­статов наличием герметической ка­бины. Управляемые аэростаты, обо­рудованные двигателями, называ­ются дирижаблями. Оболочка дири­жабля обычно бывает удлиненной формы. Кроме гондолы, он имеет си­ловую установку, создающую силу тяги, необходимую для перемещения его в воздухе; органы устойчивости (вертикальное и горизонтальное оперение) для обеспечения устойчи­вости полета; рули, с помощью ко­торых можно по желанию летчика изменять направление движения.

Основные достоинства аппаратов легче воздуха заключаются в том, что они могут подниматься и спускать­ся вертикально и даже неподвижно «висеть» в воздухе (без дополни­тельных затрат энергии), достаточ­но грузоподъемны и экономичны. Недостатки этих аппаратов — пло­хая маневренность, малая скорость полета, необходимость надежных средств для швартовки на стоянке.

Летательные аппараты тяжелее воздуха, у которых подъемная сила создается по аэродинамическому принципу, составляют наиболее мно­гочисленную группу (рис. 2.2).

Прежде всего к ним относятся са­молеты различного типа и назначе­ния. Подъемная сила создается не­сущими поверхностями, в основном крылом, при перемещении самоле­та относительно воздуха в результа­те работы силовой установки. При этом сила тяги, создаваемая сило­вой установкой, позволяет самолету преодолевать сопротивление возду­ха. Планеры, в отличие от самолета, не имеют двигательной установки, но подъемная сила, так же как и у самолета, создается крылом при пе­ремещении планера в воздухе.

К этой же группе относятся вер­толеты и автожиры. У вертолетов подъемная сила создается несущим винтом, приводимым во вращение силовой установкой. У автожиров подъемную силу создает специаль­ный винт, который вращается от набегающего потока воздуха, а поступательное движение осуще­ствляется благодаря силовой ус­тановке.

К группе ЛА, использующих ра­кетодинамический принцип полета, относятся ракеты различного на­значения, к баллистическим Л А — в основном спутники Земли и меж­планетные корабли.

Авиационные модели — это то­же летательные аппараты. В умень­шенном виде они или копируют, прототип, или схематически воспро­изводят его.

Летающие модели по характеру полета делятся на свободнолетаю­щие, кордовые и радиоуправляемые.

Свободным называется полет, во время которого между летающей моделью и моделистом отсутствует всякая связь, кроме визуальной. Свободнолетающими являются мо­дели планеров, самолетов с рези­новыми и с поршневыми двига­телями (таймерные), вертолетов (рис. 2.3).

Полетом кордовой модели моде­лист, находящийся на земле, управ­ляет посредством нерастягивающихся нитей — тонкой стальной проволоки или тросиков.

Кордовы­ми моделями могут быть скорост­ные, гоночные, пилотажные моде­ ли «воздушного боя» и копии реальных самолетов (рис. 2.4).

Во время радиоуправляемого полета моделист, находящийся на земле, управляет моделью, подавая радиокоманды.

Управляемыми по радио могут быть летающие модели планеров, само­летов и вертолетов, а также модели-копии реальных летательных аппа­ратов (рис. 2.5).

Источник

Способ создания подъемной силы для летательного аппарата

Владельцы патента RU 2569449:

Изобретение относится к области летательных аппаратов и воздушного транспорта. Согласно способу для создания подъемной силы летательного аппарата используют принцип, основанный на вращении динамических несущих элементов вокруг собственной оси и одновременно вокруг центральной оси, перпендикулярной плоскости их вращения. Для создания подъемной силы летательного аппарата в качестве динамических несущих элементов используют диски, из которых формируют отдельные группы, каждая из которых состоит из лежащих в одной плоскости пары дисков, при этом для создания подъемной силы диски, входящие в каждую группу, вращают в противоположных направлениях и с различными скоростями. При этом для управления величиной тяги летательного аппарата угол наклона плоскости вращения дисков к горизонтальной плоскости меняют в пределах 0-45°. Для балансировки динамических нагрузок на центральный приводной вал группы дисков размещают концентрично центральной оси вращения и на равных друг от друга расстояниях. Предложенный способ обеспечивает появление комбинированной тяги для летательного аппарата, обусловленной как аэродинамическими силами, так и гироскопическим эффектом. При этом существенно уменьшается коэффициент трения воздушного потока о плоскость вращающихся дисков, что в определенной степени повышает и КПД силового привода летательного аппарата. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области летательных аппаратов и воздушного транспорта.

Известен способ создания подъемной силы, реализованный в летательном аппарате ″турболет″ (Патент РФ 2268845, МПК В64С 39/06, опубл. 27.01 2006 г. ), где подъемная сила для летательного аппарата создается путем вращения в противоположных направлениях двух соосных, расположенных в параллельных плоскостях кольцевых дисков, с набором обладающих аэродинамическим качеством пластинок — кольцевых крыльев, которые имеют различный диаметр для исключения их взаимовлияния, причем кольцевое крыло большего диаметра расположено выше кольцевого крыла меньшего диаметра.

Известный способ достаточно сложен в реализации, в связи с чем не нашел практического применения.

Известен также способ создания подъемной силы, в котором крыло аэродинамического профиля выполняют в форме конусного кольца, усеченная вершина конуса которого направлена вниз (Патент РФ №2089458, МПК В64С 29/00, опубл. 10.09.1997). В центральной части крыла создают равномерный в вертикальном направлении воздушный поток с помощью осевого вентилятора. Вертикальный воздушный поток, создаваемый в центре конусного кольцевого крыла, имеющего асимметричный профиль, создает подъемную силу по тем же причинам, что на крыле самолета, т.е. из-за асимметричности профиля крыла.

Способ позволяет создать летательные аппараты вертикального взлета, однако при этом неэффективно используется площадь крыла для создания подъемной силы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ создания подъемной силы летательного аппарата, реализованный в техническом решении «Тяговое устройство и приводной динамический несущий элемент тягового устройства (Патент РФ № 2344965, МПК В63Н 9/02, В64С 23/08, опубл. 27.01.2009 г. ПРОТОТИП).

Суть данного способа заключается в том, что для создания подъемной силы приводные динамические несущие элементы объединяют в один каркас, который вращают относительно центральной оси в одну сторону, при этом оси вращения динамических несущих элементов располагают параллельно этой оси, а сами элементы вращают в направлении, противоположном направлению вращения каркаса с динамическими несущими элементами. Приводной динамический несущий элемент имеет конусоидальную форму и выполнен с возможностью вращения продольной оси динамического несущего элемента под углом к оси вращения. Приводной динамический несущий элемент может быть размещен в нижней части с обратным конусом.

Данный способ, принятый нами в качестве прототипа, достаточно сложен в реализации. Для создания тягового усилия используется известный эффект Магнуса. Другие физические эффекты одновременно с эффектом Магнуса не используются. Поэтому тяговое усилие остается низким и не эффективным. Используемые в данном способе несущие элементы в виде усеченных конусов делают конструкцию летательного аппарата громоздким и материалоемким.

Техническим результатом заявленного технического решения является упрощение способа и повышение суммарного тягового усилия летательного аппарата за счет одновременного использования аэродинамических сил, в сочетании с другими физическими эффектами.

Технический результат достигается тем, что в известном способе создания подъемной силы для летательного аппарата путем вращения динамических несущих элементов вокруг собственной оси и одновременно вокруг центральной оси, перпендикулярной плоскости их вращения, согласно изобретению для создания подъемной силы в качестве динамических несущих элементов используют диски, из которых формируют отдельные группы, каждая из которых состоит из лежащих в одной плоскости пары дисков, при этом для создания подъемной силы летательного аппарата диски, входящие в каждую группу, вращают в противоположных направлениях и с различными скоростями, при этом для управления величиной тяги угол наклона плоскости вращения дисков к горизонтальной плоскости меняют в пределах 0-45°.

Технический результат достигается и тем, что группы дисков размещают концентрично центральной оси вращения и на равных друг от друга расстояниях.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:

на фиг. 1 — схема тягового устройства, реализующего способ (вид сбоку);

на фиг. 2 — динамические несущие элементы (вид сверху);

на фиг. 3 — схема формирования тяги при взаимодействии динамического несущего элемента с воздушной средой.

Тяговое устройство, реализующее способ (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3), содержит центральный приводной вал 1, кинематически связанный с силовой установкой 2. К центральному валу 1 прикреплены несущие консоли 3, кинематически связанные с автоматом перекоса 4. На конце каждой несущей консоли 3 размещена платформа 5, оснащенная динамическими несущими элементами — дисками 6, из которых формируют отдельные группы, каждая из которых состоит из лежащих в одной плоскости пары дисков 6. Диски 6 в каждой группе размещены в одной плоскости вращения и кинематически связаны с силовым приводом 7 посредством цепной передачи 8, обеспечивающим вращение дисков 6 вокруг собственной оси с заданной скоростью и в заданном направлении (фиг. 2). Оси динамических несущих элементов (дисков) 6 размещены параллельно друг относительно друга. Автомат перекоса 4 в процессе вращения системы дисков 6 вокруг оси центрального вала 1 обеспечивает возможность менять угол наклона платформы 5 с дисками 6 в пределах 0-45°. Диски 6 в группах могут располагаться как под консолью 3, так и над ней, как показано на чертежах (фиг. 1, фиг. 2).

Способ с помощью данного устройства реализуется следующим образом.

Вращающимся вокруг своих продольных осей динамическим несущим элементам 6, расположенным на платформе 5, придают второе вращение вокруг оси центрального вала 1, кинематически связанного с силовой установкой 2. При этом динамические несущие элементы 6, размещенные на одной платформе 5, вращают в противоположных направлениях так, как показано на чертеже (фиг. 2). При этом угол наклона платформы 3 относительно плоскости вращения вокруг оси центрального вала 1 (угол атаки) может меняться в пределах от нуля до 45°. В результате участия динамических несущих элементов 6 в двух направлениях происходит следующее: вращающиеся вокруг своих продольных осей динамические несущие элементы (диски) 6 набегают на воздушный поток. При этом над каждым динамическим несущим элементом (диском) 6 (см. фиг. 3) по аналогии с авиационным крылом возникает зона пониженного давления, а снизу — зона повышенного давления, что обеспечивает подъемную силу летательного аппарата. Данная сила имеет место при углах атаки α, превышающих 0°. Кроме того, при одновременном вращении дисков 6 вокруг собственной оси и вокруг оси центрального вала 1 возникает гироскопический момент М, который действует на всю систему и зависит от угла атаки ″α″. Так, при α=0 М=0, а при α=90° гироскопический момент М имеет максимальное значение. В нашем случае угол атаки ″α″ ограничен пределами 0 2 ).

Далее, по значению гироскопического момента М нашли величину подъемной силы Р₁, создающего одним диском

Затем, в соответствии со схемой, представленной на чертеже (фиг. 3) ,определили вторую компоненту подъемной силы Р₂, обусловленную аэродинамическими силами по классической формуле

С_у — коэффициент подъемной силы. Данный коэффициент представляет собой безразмерную величину, характеризующую подъемную силу крыла (диска) заданного профиля при заданном угле атаки. Для диска при угле атаки 15° принимаем С_у=0,3;

S — площадь диска, м 2 ;

W — линейная скорость движения центра диска относительно оси центрального вала, м/с;

ρ — плотность воздуха.

Для рассматриваемого случая имеем: S=0,126 м 2 , W=15,7 м/с, ρ=1,22 кг/м 3 (при температуре воздуха 15°).

Подставляя исходные данные в искомую формулу для Р₂, находим

Суммарная подъемная сила, обусловленная гироскопическим эффектом и аэродинамическими силами, для одного диска составляет

Для системы, состоящей из четырех дисков, суммарная подъемная сила составит 343,2 Н (34,32 кГ).

Таким образом, проведенный расчет подъемной силы свидетельствует о том, что предложенный способ обеспечивает появление комбинированной тяги для летательного аппарата, обусловленной как аэродинамическими силами, так и гироскопическим эффектом. При этом существенно уменьшается коэффициент трения воздушного потока о плоскость вращающихся дисков, что в определенной степени повышает и КПД силового привода летательного аппарата.

В настоящее время проведены предварительные испытания способа на упрощенных моделях, в результате которых получены обнадеживающие результаты, которые будут использованы при создании пилотного варианта нового летательного аппарата, действующего на описанных выше принципах.

1. Способ создания подъемной силы для летательного аппарата путем вращения динамических несущих элементов вокруг собственной оси и одновременно вокруг центральной оси, перпендикулярной плоскости их вращения, отличающийся тем, что для создания подъемной силы в качестве динамических несущих элементов используют диски, из которых формируют отдельные группы, каждая из которых состоит из лежащих в одной плоскости пары дисков, при этом для создания подъемной силы летательного аппарата диски, входящие в каждую группу, вращают в противоположных направлениях и с различными скоростями, при этом для управления величиной тяги летательного аппарата угол наклона плоскости вращения дисков к горизонтальной плоскости меняют в пределах 0-45°.

2. Способ создания подъемной силы для летательного аппарата по п. 1, отличающийся тем, что группы дисков размещают концентрично центральной оси вращения на равных друг от друга расстояниях.

Источник