Читать книгу: «Сборник авторских инженерно-технических решений для летательных аппаратов будущего»

Введение

Инновационный прогресс в авиации неразрывно связан с постоянным поиском новых способов увеличения аэродинамической эффективности и улучшения характеристик летательных аппаратов. Традиционные методы конструирования достигли пределов своей оптимизации, и дальнейшее развитие требует интеграции междисциплинарных научных достижений, заимствования уникальных свойств природы и синтеза современного технического опыта.

Природные объекты обладают высоким уровнем адаптивности и оптимальности форм и движений. Так, птицы, насекомые, природные явления по типу смерча демонстрируют удивительные способности эффективного производства подъёмной силы и высокой маневренности благодаря особым механизмам взаимодействия со средой. Современные исследования показывают возможность реализации аналогичных конструктивных элементов и принципов в искусственных системах.

Данная работа направлена на изучение и адаптацию природных феноменов в технике летательного аппарата, что позволяет достичь качественно новых результатов.

Автор подробно рассматривает практические аспекты реализации этих концепций, приводя конкретные технические решения, экспериментальные испытания и численное моделирование различных устройств, таких как роторные орнитоптеры и вихревые роторы. Исследование ориентировано на решение актуальных проблем современной авиации, связанных с необходимостью повышения грузоподъёмности, дальности полёта и экономичности эксплуатации летательных аппаратов.

1. Гребенчатое крыло

Аэродинамика махового полёта, наблюдаемая у птиц и насекомых, демонстрирует решения, заимствованные природой для обеспечения конструктивной устойчивости, высокой подъёмной силы и манёвренности. Одним из таких решений является сегментированная или гребенчатая структура крыла. В традиционной аэродинамике считается, что сплошные, гладкие поверхности крыла способствуют наилучшему потоку. Однако природа использует крылья, лишённые полной сплошности: перья у птиц, мембранные крылья с щетинками у насекомых.

Это наталкивает на инженерную идею – использовать гребенчатую структуру крыла как активный элемент управления потоком, как завихритель, способный формировать устойчивые вихревые структуры.

1. Определение и вид гребенчатого крыла.

Под гребенчатым крылом понимаем крыло, разделённое поперёк на множество узких продольных разрезов (сегментов).

Эти сегменты работают независимо при сохранении общей направленности движения, но между ними остаются зазоры.

2. Работа гребенчатого крыла как завихрителя.

Гребенчатое крыло фактически выступает как генератор микровихрей. При прохождении потока через щели между сегментами формируются тангенциальные смещения скоростей, приводящие к срыву частиц воздуха и возникновению локальных вихревых структур.

Эти вихри:

– ускоряют переход пограничного слоя из ламинарного в турбулентный;

– стабилизируют отрыв потока;

– повышают присасывающее давление с верхней стороны крыла;

– увеличивают критический угол атаки и диапазон устойчивой работы крыла.

Сегментация задней (или всей) части крыла провоцирует образование не одного, а нескольких параллельных вихревых дорожек позади крыла. Это позволяет не только повысить активную площадь воздействия потока, но и перераспределить силы давления по хорде крыла.

В результате формируются устойчивые вихревые структуры, которые действуют с направленной подъемной и/или тянущей силой, аналогичным образом тому, как это наблюдается у живых организмов – птиц и насекомых.

3. Биологические вдохновения.

Птицы.

У большинства птиц маховые перья в области размаха на концах крыла свободны. Это образует типичную гребенчатую структуру, придающую крылу свойства продуваемого решётчатого завихрителя. Даже в случаях, когда у птиц отсутствуют одно-два перья в крыле, они свободно продолжают летать. Этим подтверждается способность вихрей огибать решётчатую структуру без разрушения общей вихревой картины.

Насекомые.

Многие виды, особенно из отряда перепончатокрылых и двукрылых, имеют крылья, усеянные мелкими выростами: чешуйками, микрощетинками, зубцами на передней и задней кромке. Эти элементы работают как естественные турбулизаторы, стимулируя формирование микровихрей.

Рис. 1. Крыло насекомого с микроструктурами на поверхности

Таким образом природа использует гребенчатые, шероховатые или перфорированные конструкции для управления потоком воздуха с целью получения большей аэродинамической эффективности на низких скоростях.

4. Аэродинамические преимущества гребенчатого крыла.

Увеличивается критический угол атаки. Это происходит за счёт завихрения потока ближе к кромке замедляется или предотвращается преждевременный отрыв.

Рост подъёмной силы на малых скоростях. Вихри создают дополнительное присасывающее давление с верхней стороны крыла.

Расширяется диапазон устойчивой работы махового крыла при несимметричных и импульсных нагрузках (взмах, стопорение).

Снижается чувствительности к локальным повреждениям или загрязнениям крыла.

Способность управляемой генерации вихрей при махе позволяет синхронно усиливать подъёмную и тянущую составляющие силы.

5. Экспериментальная реализация.

В экспериментальных установках гребенчатое крыло создаётся на базе стандартного плоскостного профиля с продольными разрезами, выполненными от задней кромки на 1/3 хорды. Количество сегментов подбирается в пределах 5–7, чтобы достигнуть оптимального соотношения между стабильностью несущего потока и интенсивностью создаваемых вихрей.

Рис. № 2. Гребенчатое крыло завихритель.

Эксперимент подтвердил повышение подъёмной силы гребенчатого крыла по сравнению с аналогичным классическим крылом при ротационном машущем движении (вращение одновременно в двух плоскостях).

Таким образом гребенчатое крыло, реализующее функции вихревого завихрителя, представляет собой инженерную адаптацию биологических решений, проверенных эволюцией. Его способность стабилизировать поток, увеличивать подъёмную силу и улучшать эффективность махового цикла делают его перспективным элементом для создания компактных, манёвренных, аэродинамически устойчивых летательных аппаратов.

Развитие технологий управления вихрями, сенсорика, адаптивной геометрии и био-вдохновлённых систем обеспечивает ключ к дальнейшему использованию гребенчатых конструкций в авиации будущего – особенно в микро- и наноавиации.

2. Двух вихревая модель махового полёта

Маховой (или машущий) полёт представляет собой одну из наиболее сложных форм аэродинамического движения, характерную для многих представителей живой природы – от насекомых и птиц до рукокрылых. Благодаря высокой манёвренности, эффективности на малых скоростях и способности к зависанию, маховой полёт стал предметом пристального научного изучения, как в биомеханике, так и в области создания биомиметических летательных аппаратов.

Одним из ключевых аэродинамических механизмов, объясняющих генерацию подъёмной силы при таком типе движения, является вихревая модель. В данной статье будет рассмотрена двухвихревая модель машущего полёта – концепция, в основе которой лежит образование пары взаимодействующих кольцевых вихрей, возникающих при каждом взмахе крыла. Модель объясняет устойчивое поступательное движение, формирование подъёмной силы и особенности динамики крыла в процессе машинального полёта.

1. Общие положения о вихрях

Вихрь – это структурированный элемент потока, в котором происходит вращательное движение объёма воздуха или жидкости. Считается, что одиночный вихрь, образующийся в однородной среде, не способен к самостоятельному равномерному переносу – он либо остается на месте, либо распадается под воздействием внешней вязкости. Однако в системе из двух линейных вихрей с равной интенсивностью, но противоположным направлением вращения (вихревой диполь), возможен устойчивый и равномерный перенос. Такая система движется перпендикулярно плоскости вихрей, сохраняя структуру и энергию циркуляции.

2. Принцип двух вихревой модели.

Двух вихревая модель машущего полёта строится на предположении, что при каждом взмахе крыла формируются два основных кольцевых вихря:

– Один вихрь формируется на нижней стороне крыла при его движении вниз.

– Второй – на верхней стороне крыла во время его обратного маха вверх.

Каждый вихрь обладает собственной интенсивностью (циркуляцией) и направлением вращения. Эти вихри распространяются в противоположных направлениях относительно центра массы объекта (мускульной базы насекомого или тела птицы) и формируют структуру, напоминающую расходящийся диполь.

Вихревая пара, благодаря законам гидродинамики, ведёт себя как единая система, движущаяся в сторону, перпендикулярную к плоскости кольца, то есть вниз относительно круговой структуры. При этом направление обусловлено преобладающим импульсом «выталкивания воздуха» из-под крыла.

Рис. № 3. Вихревой машущий полёт и формирование вихревых потоков.

3. Динамика формирования вихрей.

Во время маха вниз крыло ускоряется, создавая ускорение движущейся массы воздуха вдоль его профиля, в результате чего на задней кромке крыла образуется мощный кольцевой вихрь. Этот вихрь отрывается от крыла и остаётся в потоке позади.

На следующей фазе движения (вверх) крыло изменяет угол атаки и траекторию, создавая меньший или другой по структуре вихрь на противоположной стороне (обычно менее интенсивный, чтобы не «отменить» действие первого). В результате создаётся асимметрия интенсивностей – вихри различаются по циркуляции и скорости распространения.

Именно эта асимметрия даёт результирующее воздействие на систему: одна сторона «выталкивает» воздух сильнее другой, создавая подъёмную силу, направленную вверх или вперёд.

4. Силовые воздействия в двух вихревой структуре.

На такую вихревую систему действуют две основные силы:

1. Взаимное отталкивание вихрей вверх и вниз по оси симметрии крыла – эта сила разделяет вихри и способствует стабильности структуры.

2. Результирующее движение всей вихревой структуры в сторону вытекания воздуха – то есть перпендикулярно плоскости кольца, что обусловливает образование подъёмной силы и продвижение организма вперёд.

Рис. 4. Силовое взаимодействие вихрей

Где:

F – сила, воздействующая на цилиндр в направлении, перпендикулярном направлению потока;

Р₀ –давлений между вихрями;

Р₀₀– давление в свободном пространстве

Формально это можно представить, как результирующую силу, обусловленную разностью расходов массы воздуха и циркуляции в двух кольцах.

5. Биологические и инженерные предпосылки.

Наблюдения за полётом насекомых и птиц показали, что скорость движения крыла внутри махового цикла не является постоянной. Взмах вниз (удар) происходит быстрее и с более сильным ускорением, чем движение крыла вверх. Это приводит к тому, что нижний вихрь получается более интенсивным, а верхний – слабее, что и поддерживает выход воздуха преимущественно вниз.

Кроме того, угол атаки в процессе маха постоянно меняется. Разные участки крыла (например, основание и кончик) могут иметь различные углы атаки одновременно. Таким образом формируются локальные вихревые структуры разной силы и масштаба, которые суммируются в устойчивую вихревую картину.

6. Конструктивные аналогии и гребенчатое крыло

Интерес представляет тот факт, что ни крылья насекомых, ни крылья птиц не являются сплошными или идеально гладкими. У насекомых они покрыты чешуйками, волосками и выростами, многие из которых выполняют функцию турбулизаторов, генерирующих микровихри. У птиц края крыльев состоят из отдельных перьев, и даже частичная их утрата не влечёт нарушений в полёте. Это наводит на мысль о том, что стабильная вихревая структура не требует абсолютной сплошности несущей поверхности.

На основании этих наблюдений создаются инженерные модели, в том числе гребенчатые крылья – разделённые на «пальцеобразные» секции, которые обеспечивают выход вихрей и преобразование воздушного потока.

7. Трудности практической реализации

Несмотря на теоретическую ясность модели, практическое воспроизведение машущего полёта с управлением вихревой динамикой – задача крайне сложная. Особенно трудна реализация асимметричного маха, то есть, когда мах вверх и мах вниз происходят с разной скоростью, амплитудой и углом атаки, что необходимо для устойчивого создания разностной вихревой тяги.

Управление интенсивностью вихрей требует высокой точности синхронизации движений крыла, адаптивного контроля и обратной связи от потока, что пока является недоступным для большинства простых механических моделей. Тем не менее, достижения в области микро электромеханических систем (MEMS), сенсорики и биомиметической робототехники дают надежду на скорую реализацию физических моделей махового полёта нового поколения.

Таким образом, двух вихревая модель представляет собой новый инструмент для понимания аэродинамики машущего полёта. Она позволяет описать сложные процессы генерации подъёмной силы через взаимодействие вихрей, образуемых в разных фазах маха крыла. Учитывая биологические прототипы и конструктивные особенности биокрыла, модель находит практическое применение в разработке мускуломаховых летающих роботов, мини дронов и других аппаратов, базирующихся на принципе вихревой аэродинамики.