ГлавнаяРегистрацияВход МАХОЛЁТ (ОРНИТОПТЕР) Понедельник, 19.11.2018, 08:54
  Возможно ли создание махолёта?... Приветствую Вас Гость | RSS

 
 

1.2 Возможно ли создание махолёта?...

 

Если провести статистический анализ по мощности потребной для сверхлёгких летательных аппаратов (СЛА), то обнаружим, что она не так уж и велика. Потребная мощность зависит от так называемой скорости падения в планирующем полёте и исчисляется потерей высоты в секунду при свободном падении «планера». Падая, «планер» совершает работу по преодолению аэродинамического сопротивления. Чтобы воспрепятствовать падению и вернуть «планеру» возможность горизонтального полёта, нужно затратить такое же количество работы, которое он затрачивает по преодолению сопротивления падению.

Расчёты показывают, что лёгкий планер при весе 50 кг и весе пилота 60 кг будет падать со скоростью 35…40 см/сек.

При этом, для уравновешивания падения потребуется мощность 0,65 л.с.

Казалось бы, всё говорит за то, что мы находимся чрезвычайно близко от решения проблемы машущего полёта. Однако, положительным опытом в этой области мы пока не располагаем. Полемика вокруг проблемы машущего полёта продолжается. Продолжаются и поиски.

Вот, например, что по этому поводу пишет в одной из журнальных статей инж. Н. Вожегов.

Природа отводит запретную зону для махолётов с большим размахом крыла. Косвенно это отражается числом Рейнольдса.

Re=Vb/ ,

Где V – скорость крыла относительно воздуха м/с;

B – характерный размер, например, хорды крыла;

 – кинематическая вязкость воздуха. (при температуре tº - 15ºC и давлении 760 мм рт. ст., =1,45 ×10-5 м2/сек). Для плоской пластинки Re=5×105. Самая крупная птица – альбатрос (вес около 10 кг) при парении имеет Re=2×105. В машущем полёте  Re возрастает примерно в 1,5 раза и достигает 3×105.

Вместе с пилотом аппарат будет весить минимум 100 кг. Крылья должны иметь среднюю хорду, по крайней мере в 3 раза бо́льшую, чем у альбатроса. Соответственно в 3 раза возрастёт и число Re=3×105 ∙3= 9×105, т.е. сверхкритическое.

Пусть это насторожит и послужит толчком к новым поискам на пути уменьшения фактического числа Рейнольдса.

Заканчивает вывод Н. Вожегов.

Другой исследователь в области машущего полёта кандидат технических наук В. Киселёв отстаивает противоположную точку зрения:

«…Легко показать, что потребная для вертикального взлёта мощность тем меньше, чем меньше скорость и больше масса отбрасываемого вниз воздуха и что в этом махолёты и вертолёты намного эффективнее вертикально - взлетающих самолётов…

… Преимущество махолёта перед вертолётом: в горизонтальном полёте махолёт свободен от малоэффективной на этом режиме несущей системы вертолёта.

… На режиме висения и на малых скоростях полёта аэродинамические силы меняются пропорционально 4-й степени измерения размаха крыла. Или квадрату его площади. Следовательно, подъёмная сила растёт быстрее, чем вес аппарата (вес как, известно, пропорционален кубу размеров). У самолётов же подъёмная сила изменяется пропорционально квадрату размеров, отстаёт от увеличения веса (быстрее); - при возрастании скорости поступательного движения рост аэродинамических сил, с увеличением размеров машущего крыла замедляется (так как обтекание становится всё более стационарным), приближаясь к квадрату отношения размеров, как у самолётов».

И далее В. Киселёв пишет:

«Мы пришли к выводу, что существует критерий осуществимости машущего полёта. Этот критерий – достигнутая удельная нагрузка не должна быть меньше:

(G/S)min=0,022×n2l4/S,

где G – вес аппарата в кг;

S – площадь крыла в м2, включая его неподвижную часть, если она есть;

l – наибольший габаритный размах также всего крыла, в м ;

n – число махов в секунду»

Считается, что удельная нагрузка приходящаяся на крыло птицы составляет  5 кг/м2. На этот же коэффициент ориентируются конструкторы дельтапланов.

Для того чтобы разобраться, суждено ли летать в небе махолёту для нас один путь – путь эксперимента.

Для постановки эксперимента нужна, как минимум, действующая модель движителя с исполнительным механизмом.

Для того чтобы такая модель появилась, нужно синтезировать хотя бы несколько кинематических схем исполнительного механизма машущего движителя.

Рис. 1.5. Карикатура на себя.

 

1.3. Наблюдения за поведением крылатых.

 

1. 1.02.81. Наблюдал перелёт стаи голубей при сильном штормовом ветре.

Стая из пяти особей двигалась навстречу ветру. Любопытно, что крылья были полусложенными, прижаты к корпусу как у ястреба во время пикирования. Крыльями голуби не взмахивали, за редким исключением, когда нужно было поддержать равновесие при порывистом шквальном ветре.

Регулируя «угол атаки крыльев», птицы набирали некоторую высоту, затем начиналось скольжение с некоторой потерей высоты. При этом птицы неуклонно продвигались против потока..

Стоит заметить, что здесь есть сходство движения с парусной лодкой против ветра. Различие лишь в плоскостях лавирования. Такой способ летания называют динамическим парением.

2. 24.09.83. Наблюдал перелёт журавлей. Стая их, пролетая над селом Минеевка (Северный Казахстан), снизилась по высоте. Пролетая над скотофермами вся стая начала кружиться в восходящем потоке горячего воздуха. Было проделано семь кругов. При этом была набрана достаточная  для маршевого перелёта высота.

Километра через полтора – два стая вновь потеряла высоту и найдя подходящий восходящий воздушный поток повторила маневры набора высоты. Этот способ назвали статическим парением. Очевидно, сложились неподходящие метеоусловия для полёта и птицам было тяжело лететь.  См. рис. 1.6.

3. 4.06.84. Была подмечена, новая для меня, важная особенность поведения птиц при зависании в воздухе, например, при высматривании добычи. Посчастливилось наблюдать за малой озёрной чайкой. Если раньше, в безветрие, чайка зависнув сильно подгибала хвост (до 90°) к брюшку во время трепетания крыльями, то на сей раз дул сильный ветер и надобность в подгибании хвоста отпала. Зато каждый раз предварительно нужно было сманеврировать, чтобы голова была по направлению «против ветра».

4. 13.08.84. Тёплый тихий вечер на даче. Обратил внимание на появившийся в фасоли рой летучих муравьёв. Муравьи были крупные, около 10 мм длинной. Осёдлые же, без крыльев, вдвое короче крылатых. Уладив брачные дела, летучие начали разлетаться. Но, прежде чем совершить взлёт, они подолгу подбирали удобную позицию: ползли по стеблю, забирались на кончики торчащих листьев и лишь тогда, умыв свои усики, решались на взлёт.

У муравьёв по два крыла с каждой стороны, т.е. они четырёхкрылые, но задние крылышки очень маленькие, вполовину меньше по длине и ширине передних.

Было подмечено, что эти насекомые плохие летуны: если по курсу встречалась преграда, то они не маневрировали, ударялись о препятствие и полёт прекращался до следующей попытки к взлёту. В этом их поведение напоминало поведение робота.

Обращало на себя внимание необычная ориентация тела в полёте. Брюшко насекомого было сориентировано почти в вертикальном положении. Плоскость веера машущих крыльев также располагалась необычно, градусов под 75 к горизонту. Очевидно, летательный аппарат, в основном, работал на создание подъёмной силы. Поступательное движение достигалось за счёт скольжения. Это почти вертолётный принцип летания.

Рис. 1.6. Набор высоты стаей журавлей с использованием восходящего потока прогретого воздуха. (Статическое парение).

5. 14.09.84. День пасмурный, прохладный. По шоссе едем на автобусе. Дует встречный умеренный ветер.

Наблюдал за полётом большой озёрной чайки, летевшей параллельным курсом. Обратило на себя внимание то обстоятельство, что не отставая от автобуса, летя на встречный ветер, она абсолютно не махала крыльями.

Скорость по спидометру 60 км/ч. Едем дальше. Нагоняем попутчиков: сороку и серую ворону. Как известно, эти летуны имеют широкие крылья, и что характерно, во время наблюдения, они ни разу не пользовались планирующим полётом. На всём пути их полёт был активным, крыльями они махали беспрестанно. Однако, как удалось заметить, курс по высоте у них был менее прямолинейным чем у чайки.

6. 16.09.84. Пасмурный осенний день. Дует умеренный ветер. Удалось наблюдать за полётом озёрной чайки летящей по ветру за счёт планирования. Чайка лишь управляла направлением полёта изменяя «угол атаки крыльев» и хвостом. Полёт был пассивный но весьма эффективный.

7. 10.06.85.Наблюдал полёт чёрной вороны по ветру. Птица не делала взмахов крыльями. Лишь изредка вяло взмахивала для поддержания равновесия. Полёт происходил на режиме планирования за  счёт попутного ветра с регулировкой «общего угла атаки крыла».

На основании наблюдений за поведением крылатых существ в полёте в различных ситуациях есть основания предполагать о наличии разнообразных принципов летания для разных групп летунов.

Предположение такое. Мелкие летуны, те что способны к стремительным импульсивным взмахам, реализуют в полёте аэродинамику дискретного торообразного вихря. При существующей в настоящее время плотности атмосферы земли, предел использования такого вихря живыми летунами лежит, вероятно, по размеру размаха крыльев от 2,5 мм до 500 мм.

Крупные летуны – в силу большей инерционности крыла, в силу вмешательства законов взаимодействия лопасти с вязкой средой – не могут совершать взмахи импульсивные. Чрезмерное увеличение периода полного маха, длительность во времени, приводят к прерывистому характеру действующих величин подъёмной силы крыла. Поэтому на долю крупных летунов остаётся два пути взаимодействия со средой – это скольжение со сходящими концевыми вихрями в образе непрерывной винтовой поверхности; и ритмичное, с малой амплитудой машущее летание. Причём в последнем случае генерируются крылом дискретные отходящие (отрывающиеся) вихри Кармана.

Всё сказанное может быть истиной для машущих движителей, но мы не утверждаем, что границы размерного существования торообразного вихря замыкаются в указанных пределах. На самом деле это не так! Границы существования торообразного вихря превышают человеческое воображение. Эти вихри образуются в недрах жидких, газообразных сред микромира и в гигантских сферах космических газообразных звёзд. Образованием торообразного вихря нередко сопровождается бытовая, хозяйственная или военная деятельность человека.

Хлопок от резкого встряхивания полотенца или хлыста, от выстрела ружья или орудия, от взрыва атомного заряда и т.п., - все  эффекты носят одну физическую суть – это момент рождения торообразного вихря. Хлопком сопровождается локальный перепад давления в виде импульса. В одних случаях это достигается путём посылки бегущей волны, например, вдоль полотенца или хлыста пастуха. При этом, опытные люди знают, не всегда взмах может сопровождаться достижением цели – получения эффективного хлопка. Здесь должна соблюдаться определённая синхронизация в движениях. Лишь при достижении бегущей волны конца гибкого элемента и при рывке на себя мы добиваемся нужного эффекта. Это можно объяснить тем, что происходит схлёстывание 2-х противоположно движущихся вихревых потоков, что и вызывает локальное повышение давления в воздушной среде. А это, в свою очередь, приводит к образованию дискретного торообразного вихря. Нагон завихрённых потоков осуществляют посылкой бегущей волны вдоль гибкого элемента. Подчеркнём, важно лишь согласовать периоды направленной и отражённой волн, с тем чтобы появился пик резонанса и хлопок. См. рис. 1.7.

Рис. 1.7. Звук хлопка от хлыста пастуха – есть косвенный свидетель рождения дискретного вихря.

 

К сожалению, мы не имеем доступа к современным средствам исследований описанных физических явлений.

Для изучения кинематики аэрогидродинамических процессов в настоящее время используют разнообразные технические средства и методы. Такие как: скоростную фото, кино, видео - съёмку, голографическую съёмку, стробоскопические скоростемеры; интерференционный метод, метод теней, метод Теплера. Визуальные методы исследований обеспечивают получение наглядной картины о расположении и форме областей с различной плотностью при течении струй в пограничном слое.

 

1.4 Кинематика крыльев и аэродинамика полёта саранчи.

 

Приводимые в настоящем параграфе сведения основываются на данных датских учёных М. Йенсена и Т. Вейс – Фо.

Исследования показывают, что передние и задние крылья саранчи работают согласованно за счёт нервно – мышечной координации. У переднего крыла наблюдается задержка по фазе. Она составляет около 7 мс в верхнем и около 4 мс в нижнем положении крыла. В среднем каждый крыловой цикл саранчи длится 58 мс. Первыми в работу вступают задние крылья.

В период установившегося прямолинейного горизонтального полёта саранчи основные параметры её машущих крыльев достаточно стабильны.

Так частота крыловых махов 17,5…18,5 в сек, амплитуда махов 60…80° для передних и 101…110° для задних крыльев, наклон базовых плоскостей махания - 30°, подъёмная сила – ок. 2г, скорость полёта 3…3,5м/с (10,8…12,6 км/ч).

Во время маховых движений вверх – вниз, крылья саранчи, как и у других насекомых, выносятся вперёд при махе вниз; и назад – при махе вверх. На основные движения вверх – вниз накладывается скручивание крыла – пронация и супинация.

В течении крылового цикла наблюдается так же изменение профиля у сопряжённых крыльев. Изменение профиля переднего крыла – процесс активный и обусловлен воздействием мышц. Задние же, более мягкие крылья, во время махов меняют свой профиль пассивно под действием набегающего потока. Анальная часть крыла отклоняется, в результате чего оно приобретает форму слегка изогнутой пластинки.

На рис. 1.8. показано 18 суммированных моментов положения крыльев насекомого во время горизонтального полёта в аэродинамической трубе со скоростью 3,5 м/с (12,6 км/ч). Рисунком 1.8.а иллюстрируют траектории переднего и заднего крыльев при махе вниз, а рисунком 1.8.б – при махе вверх.

Вершина переднего крыла саранчи описывает петлю в форме вдавленного овала, вершина заднего крыла описывает кривую с самопересечением в форме деформированной лемнискаты.

Рис.1.8.а;б Движение крыльев саранчи (по Т. Вейс - Фо): а – движение крыла вниз, б – движение крыла вверх. Числа обозначают последовательные моменты положения вершины крыла.

 

На рисунке 1.9 представлены полетные геометрические характеристики левой пары крыльев саранчи. По диаграмме можно сделать некоторый анализ.

В частности можно проследить за положением лопастей переднего и заднего крыла относительно друг друга и в точках акрофазы полного цикла маховых движений. По диаграмме видно как меняется «угол атаки лопасти» крыла (переднего и заднего) при махе вниз и при махе вверх. По диаграмме можно произвести замеры и тогда будем иметь представление о границах предельных параметров махания.

«Углы атаки» к вектору скорости полета при движении обоих лопастей вниз:

«Углы атаки» к вектору скорости полета насекомого при движении обоих лопастей вверх:

«Углы атаки» к вектору истинного перемещения обоих лопастей при махе вниз устойчиво остаются положительными.

«Углы атаки» к вектору истинного перемещения обоих лопастей вверх:

Если случится, что поступательная скорость насекомого будет возрастать относительно скорости махов, то «углы атаки» обоих лопастей к вектору истинного перемещения будут как угодно близки к нулю.

Рис.1.9 Полётные геометрические характеристики машущего движителя саранчи (левой пары крыльев).

 

(Реконструкция по Т. Вейс - фо): а-а – хорда омахиваемой кривой вершиной переднего крыла; б-б – хорда кривой с самопересечением омахиваемой вершиной заднего крыла насекомого; в-в – местоположение хорды тельца насекомого. Угол наклона её к вектору направления полёта около 30°.

 

По изображенным на омахиваемых кривых мгновенным положениям лопасти (обозначены цифрами) можно судить о характере прохождения лопастью разных ветвей сопряженных кривых. В частности, рабочий ход – мах вниз приходится, как правило, по передней ветви кривой. Расстояния здесь между точками либо меньше поступательной скорости летящего насекомого (см. обозначения на числовой оси диаграммы рисунка 1.9), либо равны ей. Задняя же ветвь кривой как для переднего так и для заднего крыла (холостой ход) омахивается ускоренно в 1,5…2 раза. При этом следует учесть, что ускорение частично достигается за счет набегающего встречного потока.

Далее рассмотрим диаграммы описывающие закономерности изменения угла атаки, подъемной силы, силы тяги в течение крылового цикла t. На всех диаграммах фазы крыловых циклов выражены в условных единицах секунд. Все диаграммы заимствованы из работ датского ученого М. Йенсена.

Рис 1.10 Изменение угла атаки α в средней точке переднего крыла саранчи во время полного крылового цикла t.

Рис 1.11 Величина подъёмной силы Y, развиваемой передними и задними крыльями саранчи в разные фазы крылового цикла t.

 

Из диаграммы 1.10 прослеживается изменение угла атаки α для одного из сечений профиля переднего крыла саранчи. При махе вниз наблюдается неоднократная регулировка угла атаки в пределах от 5 до 15˚. При махе вверх диаграмма иллюстрирует наличие отрицательных углов атаки до 25˚.

Из диаграммы рис. 1.11 видно, что подъёмная сила в разных фазах крылового цикла далеко не равномерна: и передние и задние крылья создают максимум её при махе вниз, а минимум при махе вверх. По расчётам эти величины соотносятся как 80%. Вследствие большей площади и амплитуды махов задних крыльев они создают и большую подъёмную силу. При махе вниз на их долю приходится около 70% от общей подъёмной силы (см. рис. 1.12), образующиеся в каждом крыловом цикле махов вверх – вниз приводит к смещению тела насекомого в полёте в вертикальной плоскости. Однако, благодаря запаздыванию по времени цикла смещения, оно находится в противофазе к максимуму подъёмной силы.
Рис. 1.12 Величина общей подъёмной силы Y0, развиваемой обоими крыльями саранчи в разные фазы крылового цикла t.

Рис. 1.13 Величина силы тяги Х, развиваемой крыльями саранчи в разные фазы крылового цикла t.

Сила тяги летящей саранчи, как и подъёмная сила, в ходе крылового цикла меняется, рис. 1.13. Причём переднее крыло создаёт тягу только при махе вниз, а заднее в середине маха вниз и при махе вверх.

Неравномерность создаваемой силы тяги приводит к незначительной неравномерности в скорости полёта насекомого.

Из общего баланса энергии затрачиваемой насекомым на перемещение в воздухе лишь 7% затрачивается на тягу, остальное на создание подъёмной силы.

 

1.5. Силы действующие на крыло насекомого.

 

Крыльям насекомых, как уже упоминалось в предисловии автора, приходится выполнять три функции: две основных – это удерживать тело насекомого в воздухе и двигать его вперёд; и одну вспомогательную – управлять направлением полёта.

С помощью схемы, изображённой на рис. 1.14 попытаемся проанализировать, как крыло насекомого справляется с двумя основными функциями.

Выберем момент движения машущего крыла вниз. Полную аэродинамическую силу разложим по правилу параллелограмма на составляющие: подъёмную силу крыла Y1, лобовое сопротивление крыла – Q1.

Рис. 1.14 Разложение сил действующих на насекомое и на крыло при махе вниз: R – полная аэродинамическая сила; Y1 – подъёмная сила крыла; Y – подъёмная сила системы; Q – сила лобового сопротивления системы; G – масса насекомого; T – сила тяги; V1 – истинное направление движения крыла; α – положительный угол атаки крыла.

Обращаем внимание на то, что движение крыла не совпадает с направлением летящей системы. При необходимости выяснить какие силы будут действовать на летящий объект в целом, мы вынуждены разложить результирующую R по – другому: сила тяги Т по направлению движения объекта, подъёмная сила – Y не по нормали к крылу, а по вертикали, последняя будет уравновешиваться массой объекта к G, сила тяги Т – силой лобового сопротивления Q.

 
 
Форма входа

Календарь новостей
«  Ноябрь 2018  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
2627282930

Мини-чат

Наш опрос
Оцените мой сайт
Всего ответов: 39

Поиск

Друзья сайта



----------------- SEO services - site-submit.com.ua $$$ для web-мастеров

Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
 

© Zemlyanov.kz
Сайт управляется системой uCoz