Что приводит в движение самолеты с поршневыми двигателями

Почему авиационный поршневой двигатель уступил реактивному.

Здравствуйте!

Легендарный ЯК-3, один из лучших поршневых.

Любой, даже мало сведущий в авиации человек знает, что время в котором мы с вами живем – это эра реактивной авиации. Поршневой авиационный двигатель с воздушным винтом хоть и не канул в лету, но позиции свои уже давно сдал. Однако далеко не все задаются вопросом: « А почему, собственно, так произошло? Чем поршневой хуже реактивного?» Ответ достаточно прост, как всегда :-).

Со времен первого полета Братьев Райт авиация совершенствовалась все ускоряющимися темпами. Очень быстро стало ясно, что для войны и армии она имеет очень большое значение. Уже в Первую Мировую пока еще примитивные самолеты достаточно активно участвовали в боевых действиях. А во Второй Мировой роль авиации была просто огромной. Одна из важнейших характеристик военного самолета (хотя в наше время не только военного :-)) – это скорость, и вполне естественно, что задача ее увеличения всегда стояла перед создателями самолетов.

Первоначально эта задача довольно успешно выполнялась. Начиная с 50-ти км/ч для первых аэропланов, она выросла уже в 20-х годах до 320 км/ч. Интересно, что в это время человек на самолете обогнал самую быструю птицу на свете – сокола-сапсана, который не летает быстрее 315-ти км/ч. А уже к началу второй мировой войны максимально достигнутая скорость была порядка 750 км/ч. И вот тут дело, так сказать, застопорилось :-). Несмотря на постоянную работу по модернизации поршневых авиационных двигателей и их движителей винтов, становилось ясно (уже в конце 30-х годов), что они близки к границе своих возможностей.

Fokker DR-1. Самолет Первой Мировой войны. На таком летал Красный Барон.

Основные причины две. Первая – это сам поршневой авиационный двигатель (точнее принцип его действия). Для лучшего понимания позволю все-таки себе привести маленькую формулу :-). Дело в том, что для любого двигателя есть такое понятие, как полезная мощность Р . Она равна произведению тяги двигателя R (создаваемой, как мы помним, воздушным винтом) на скорость движения летательного аппарата (т.е. на его перемещение в единицу времени) V : P = RV . Мощность поршневого двигателя при изменении скорости меняется мало, поэтому из формулы видно, что при увеличении скорости ( то самое, к чему мы стремимся :-)) тяга двигателя будет падать.

Однако это как раз то, что нам совсем не нужно. Ведь с ростом скорости увеличивается сопротивление воздуха и единственное, что мы можем ему противопоставить – это тяга. Надо, чтобы движок «тянул» ( иначе самолет совсем остановится 🙂 (шучу)). Это сопротивление в зоне не очень больших скоростей увеличивается пропорционально квадрату скорости полета, а когда скорость полета приближается к скорости звука, то сопротивление уже растет пропорционально четвертой-шестой степени скорости полета. И для того, чтобы такое сопротивление преодолеть и далее разгонять самолет нужно мощность двигательной установки увеличивать пропорционально скорости полета в пятой-седьмой степени. Например, в околозвуковой области для того, чтобы увеличить скорость всего на 10%, нужно мощность двигателя увеличить вдвое.

Английский истребитель Supermarine Spitfire. Лучший истребитель наших союзников.

Но что такое мощность поршневого двигателя? Как бы не изощрялась наука и какие бы новые технологии не придумывались, в конечном итоге мощность зависит от количества цилиндров, площади поршней и т.д. То есть чем больше двигатель, тем он мощнее, а величина — это масса. А масса – это враг авиации . Зачастую при проектировании самолета идет битва чуть ли не за каждый грамм веса, особенно для истребителя. По примерным расчетам для совсем умеренной тяги в 3000 кг и средней скорости в 1000 км/ч масса авиационного поршневого двигателя составила бы примерно 15 тонн. Цифра совсем несуразная :-). Ведь, например, масса пустого истребителя СУ-27 – 16 тонн, МИГ-29 , соответственно 10,9 тонны. И летают они с гораздо большей скоростью, чем 1000 км/ч. Думаю, здесь дальнейшие комментарии излишни :-)… Летать на больших скоростях с поршневым двигателем просто невозможно.

Однако считаю нужным упомянуть еще об одной причине, не напрямую, но все же касающейся нашего вопроса. Это воздушный винт. Для поршневого авиационного двигателя – это, к сожалению, единственный «преобразователь мощности в движение», то есть движитель. И у него существует такое неприятное явление, как «эффект запирания» . Он выражается в том, что на больших скоростях при увеличении мощности винт уже не в состоянии увеличить тягу. Он как бы«запирается», становится «тормозом» 🙂 . Физика этого явления достаточно сложна, но по простому говоря это объясняется тем, что определенные участки лопастей (особенно близкие к концам) при увеличении скорости вращения (или же увеличении диаметра винта, что равносильно увеличению скорости вращения для концов лопастей) начинают двигаться в воздухе с около- или сверхзвуковой скоростью. А это уже аэродинамика сверхзвука , и законы в ней работают другие. Традиционный винт на таких скоростях уже не может корректно выполнять свое предназначение. Стоит сказать, что довольно давно ведутся работы по созданию сверхзвуковых винтов, но пока ощутимых практических результатов не достигнуто.

Lockheed SR-71 Blackbird. Знаменитый американский разведчик. Максимальная скорость в 3,3 раза превышает скорость звука. Какие уж тут винты :-).

Вот, пожалуй, и все. Таковы основные причины, из-за которых турбореактивный двигатель сменил поршневой и стал основой современной авиации. Произошло это главным образом из-за того, что поршневой движок проиграл «битву за вес». ТРД при одинаковой мощности несравнимо легче поршневого, и тяга его во всем диапазоне скоростей меняется вобщем–то мало, что значительно повышает его конкурентноспособность. Поршневой авиационный двигатель на малых скоростях конечно гораздо экономичнее, чем ТРД , но многолетняя практика человечества говорит о том, что коэффициент полезного действия не всегда в нашей жизни является определяющим.

АВИАЦИОННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество . 2000 .

  • АЭРОПОРТ
  • ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ УПРАВЛЕНИЕ

Смотреть что такое «АВИАЦИОННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА» в других словарях:

Авиационная артиллерийская установка — Верхняя задняя турель английского бомбардировщика и торпедоносца Bristol Beaufort … Википедия

авиационная ядерная силовая установка — Рис. 1. Авиационная ядерная силовая установка открытой схемы. авиационная ядерная силовая установка (АЯСУ) — силовая установка летательного аппарата, в которой теплота, генерируемая в ядерном реакторе, подводится в авиационный газотурбинный… … Энциклопедия «Авиация»

авиационная ядерная силовая установка — Рис. 1. Авиационная ядерная силовая установка открытой схемы. авиационная ядерная силовая установка (АЯСУ) — силовая установка летательного аппарата, в которой теплота, генерируемая в ядерном реакторе, подводится в авиационный газотурбинный… … Энциклопедия «Авиация»

авиационная ядерная силовая установка — Рис. 1. Авиационная ядерная силовая установка открытой схемы. авиационная ядерная силовая установка (АЯСУ) — силовая установка летательного аппарата, в которой теплота, генерируемая в ядерном реакторе, подводится в авиационный газотурбинный… … Энциклопедия «Авиация»

авиационная ядерная силовая установка — Рис. 1. Авиационная ядерная силовая установка открытой схемы. авиационная ядерная силовая установка (АЯСУ) — силовая установка летательного аппарата, в которой теплота, генерируемая в ядерном реакторе, подводится в авиационный газотурбинный… … Энциклопедия «Авиация»

Авиационная ядерная силовая установка — (АЯСУ) силовая установка летательного аппарата, в которой теплота, генерируемая в ядерном реакторе, подводится в авиационный газотурбинный двигатель (турбореактивный двухконтурный двигатель, турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель)… … Энциклопедия техники

Акустика авиационная — (от греческого akustikos слуховой) раздел науки, посвящённый изучению возникновения, распространения и воздействия шума, возникающего при эксплуатации летательного аппарата, и находящийся на стыке аэродинамики, акустики и динамики упругих… … Энциклопедия техники

Читать еще:  Bmw x3 как проверит масло в двигателя

акустика авиационная — Взаимосвязь параметров самолёта и его шума при взлёте. акустика авиационная (от греч. akustikós — слуховой) — раздел науки, посвящённый изучению возникновения, распространения и воздействия шума, возникающего при эксплуатации… … Энциклопедия «Авиация»

акустика авиационная — Взаимосвязь параметров самолёта и его шума при взлёте. акустика авиационная (от греч. akustikós — слуховой) — раздел науки, посвящённый изучению возникновения, распространения и воздействия шума, возникающего при эксплуатации… … Энциклопедия «Авиация»

акустика авиационная — Взаимосвязь параметров самолёта и его шума при взлёте. акустика авиационная (от греч. akustikós — слуховой) — раздел науки, посвящённый изучению возникновения, распространения и воздействия шума, возникающего при эксплуатации… … Энциклопедия «Авиация»

Инновационные новости

Полный текст:

  • Статья
  • Cited By
Для цитирования:

Инновационные новости. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2015;(2):95-99.

Ученые создали устройства, работающие на энергии испарения воды

Испарение — фундаментальная сила природы, которая присутствует всегда и везде и явля­ется более мощной силой, чем ветер и волны. Однако до настоящего времени потенциал этой силы остается малоизученным, не говоря уже о том, чтобы использовать её для питания малых автономных электронных устройств и выработки электричества. Но недавно исследователи из Колумбийского универси­тета сообщили о разработке двух новых устройств, которые получают энергию непосредственно от испарения.

Учёные разработали плавающий поршневой двигатель, который производит электриче­ство для светодиода, а также роторный двигатель, который приводит в движение миниатюр­ный автомобиль.

Ещё в прошлом году д-р Озгур Сахин, руководитель исследования в Колумбийском уни­верситете, обнаружил, что при изменении влажности споры бактерий разбухают или сжима­ются, и при этом за счёт накопления энергии они могут толкать или тянуть другие, более круп­ные предметы. Основываясь на прошлогодних результатах, Сахин и его коллеги построили работающие прототипы устройств, использующих такую энергию и споры бактерий.

Плавающий поршневой двигатель представляет собой не­сколько пластиковых лент (с нанесёнными на них слоями из спор бактерий), уложенных рядом друг с другом на своего рода заслон­ки на легком пластиковом корпусе. Когда устройство опускается на воду, споры разбухают, ленты растягиваются и открывают за­слонки, давая выход влажному воздуху. Когда влажность умень­шается, ленты сжимаются и закрывают заслонки. Таким образом, возникает самоподдерживающийся цикл движения. Соединив это устройство с генератором, ученые получили электричество, достаточное для питания светодиода.

Другой двигатель под названием Moisture Mill, который работает на энергии испарения, содержит пластиковое колесо с выступающими лентовидными вкладками, покрытыми с одной стороны спорами бактерий. Это колесо заключено в частично открытый корпус. Та часть коле­са, которая находится в корпусе, «намокает» и двигает открытую часть колеса, и в результате колесо непрерывно вращается, действуя как роторный двигатель. Подключив к нему крошеч­ный автомобиль, исследователи смогли привести его в движение.

Согласно прогнозам исследователей, если технологию использования энергии испарения воды удастся масштабировать, то вполне можно будет построить гигантские плавучие генера­торы или огромные водяные мельницы, которые будут вырабатывать электричество для горо­дов и поселков.

Из этих мягких сот можно делать лёгкую и сверхпрочную броню

Броня может быть лёгкой, долговечной и эффективной — но редко все эти три качестве сочетаются в ней одновременно. Исследователи из Университета Техаса нашли новое решение этой проблемы: броню в виде сот, которая способна восстанавливать свою форму после удара.

Искусственные сотовые формы весьма легки: большую часть внутреннего объёма в них занимает воздух. Они также дёшевы, поскольку состоят в основном из пластика. Но их глав­ный недостаток заключается в их «одноразовости» — единственный удар может привести к коллапсу всей конструкции, после чего её придётся менять. Это достаточно неприятно, если из подобных сот сделан автомобильный бампер или спортивный шлем — и потенциально смертельно, когда речь идёт о солдатской броне.

Новая технология Университета Техаса называется «соты с отрицатель­ной жёсткостью». Вместо жёстких гек­сагональных элементов матрица этих сот состоит из последовательности кле­ток с параллельными и поперечными стенками. В момент удара такая кон­струкция складывается, но затем воз­вращается в своё исходное состояние. Сами соты сделаны из нейлона — но в данном случае прорыв заключается именно в разработанной структуре, а не в применённом материале.

Финансирование этого проекта отчасти проводилось Министерством обороны США, ко­торое ищет способы получить в своё распоряжение лёгкую и прочную броню.

Роботы создадут в Амстердаме мост при помощи 3D-принтера

3D-принтер построит металлический мост в центре Амстердама. Компания MX3D раз­работала технологию трехмерной печати металлических объектов, которая уже сейчас позво­ляет создавать сложные разветвлённые структуры. На сайте проекта говорится, что технология является экономически целесообразной и со временем может стать преемницей современных методов производства металлоконструкций и деталей.

Теперь MX3D планируют построить значимый и функциональный объект над одним из знаменитых каналов в столице Нидерландов, говорится в видеоролике компании.

«Сначала у принтера получались только маленькие, кривые «червячки» из металла, кото­рые и разглядеть было сложно. Но мы увидели в них целую вселенную возможностей. Конеч­но, и проблем хватало: сварочный аппарат взрывался, заплавлялся наконечник принтера, робот терял ориентацию в пространстве и ломал построенное. Но в итоге у нас начали получаться длинные прямые элементы, сложные спирали и овальные трубки. Это как рисовать металлом в

воздухе. После многочисленных экс­периментов нам удалось ускорить процесс и научиться печатать слож­ные, разветвленные структуры. И теперь мы готовы к нашему первому проекту, который позволит на прак­тике проверить все стороны этой многообещающей технологии печа­ти. Мы построим большой функци­ональный объект — мост в Амстер­даме».

Конкретное место расположе­ния нового моста будет анонсиро­вано ближе к концу года, а работы планируется начать в 2017 году. Со­гласно эскизам, постройка начнется с закрепления на краю канала начальных фрагментов двух рельсов для 3D-принтеров, которые роботы станут достраивать в сторону другого берега, попутно создавая и сам мост.

Распространение 3D-печати продолжает набирать обороты, сейчас технология использу­ется в аэрокосмической отрасли, производстве электроники, медицине и косметике. Интернетгигант Amazon уже открыл магазин 3D-печати на заказ, а цены на базовые 3D-принтеры про­должают снижаться. По оценкам консалтинговой компании Lux Research, через 10 лет объем мировой индустрии 3D-печати достигнет 12 млрд долларов.

3D-принтер, способный построить дом в 250 кв. м. всего за сутки

В ближайшем будущем роботы будут использоваться в строительстве. По мнению раз­работчиков, в скором времени строительство домов будет автоматизированным. Ученый из Университета Южной Калифорнии Берок Хошневис создал 3D-принтер, способный построить целый дом с площадью в 250 кв.м. всего за сутки.

Разработка Хошневиса фактически является огромным робо­том. Он включает в себя сопло, которое закреплено на раме, бла­годаря соплу и проходит бетонная смесь, которая накладывается послойно по компьютерной схеме. Как говорит профессор: «Это практически аналог 3D-принтера для строительства»

На основе графена созданы самые тонкие в мире лампочки

Почти полтора века назад Томас Эдисон использовал угольную (углеродную) нить в ка­честве проводящей для создания первой в мире лампы накаливания. Учёные и сегодня исполь­зуют этот материал, только в несколько другом виде.

В рамках нового исследования команда физиков применила графен — углеродный мате­риал с идеальной сотовой кристаллической решёткой — для изготовления проводящей нити. В результате получилась лампа, которая, как утверждают разработчики, является самой тонкой в мире на сегодняшний день. И хотя саму нить не видно невооружённым глазом, «лампочка» производит достаточно яркий свет.

Читать еще:  Двигатель s05c расход топлива

Над её созданием работала крупная международная команда инженеров из Колумбий­ского университета США, Национального университета Сеула и Корейского научно-исследо­вательского института стандартов и науки.

Тончайшие нити графена учёные прикрепили к металлическим электродам и разместили получившиеся полосы на кремниевой подложке. Прохождение электрического тока по нитям вызывало их нагрев до 2500 °C, что обеспечивало яркое свечение, рассказывается в пресс-релизе Колумбийского университета.

«Этот новый тип «широкополосного» излучателя света может быть интегрирован в ми­кросхемы. С нашей разработкой открываются двери в мир гибких и прозрачных дисплеев тол­щиной в несколько атомов, а также оптических коммуникаций будущего», — рассказывает ведущий автор исследования Джеймс Хоун (James Hone) из Колумбийского университета.

Команда исследователей из Бристоля представила технологию, которая позволяет самолётам ремонтировать себя в полёте

В Великобритании учёные и инженеры работают над технологией, которая позволит ма­шинам восстанавливать самих себя. На этой неделе образец этой технологии — самовосстанавливающиеся самолётные крылья — будут представлены в Лондонском королевском обществе.

Команда исследователей из Университета Бристоля без лишнего шума разрабатывала свой метод на протяжении нескольких последних лет. Сейчас, по словам инженеров, техноло­гия достаточно закончена, чтобы «появиться на потребительском рынке в самом ближайшем будущем». Среди других примеров её применения — самовосстанавливающийся лак для ног­тей и самозатягивающиеся экраны для смартфонов.

Суть метода заключается в нанесении тонкого слоя крошечных полых «микросфер» на углеродную подложку. При повреждении сферы лопаются, выпуская наружу жидкий реагент, который затекает в трещины, вступает в реакцию с катализатором и быстро затвердевает.

«Мы взяли пример с человеческого тела, — рассказывает глава команды профессор Васс. — Эволюционно мы не приспособлены к тому, чтобы выдерживать повреждения — в таком слу­чае мы бы имели кожу толщиной с носорожью. Вместо этого в случае ранения у нас течёт кровь, которая сворачивается и закупоривает рану. Мы просто перенесли схожую функцию в синтетический материал — чтобы позволить ему восстанавливать себя самостоятельно».

Испытания показали, что затвердевший материал так же устойчив, как и исходный, по­этому самолёты смогут самовосстанавливаться прямо в полёте, не теряя своей функциональ­ности.

У данной технологии большой потенциал — потребители, разумеется, выиграют от более длительного срока службы смартфонов и автомобилей, которые способны «лечить» сами себя. А воздушные путешествия, очевидно, станут только безопаснее.

Крошечный радар-на-чипе обеспечит функцией распознавания жестов любое элек­тронное устройство

Все идет к тому, что в недалеком будущем для того, чтобы управлять каким-либо элек­тронным устройством, будет совсем не обязательно касаться этого устройства непосредствен­но. И такая функция станет возможной благодаря многочисленным технологиям распознава­ния движений и жестов, построенным на оптических, акустических и других методах. Свой вклад в это направление сделала компания Google в рамках проекта Project Soli, разработав и изготовив опытные образцы миниатюрных радаров-на-чипе, способных с очень высокой точ­ностью отслеживать движения рук и пальцев человека.

Технология радара-на-чипе была разработана в лаборатории Advanced Technology and Projects lab компании Google, также специалисты этой лаборатории создали законченную си­стему, включая соответствующее программное обеспечение, позволяющее при помощи мини­атюрного радара отслеживать даже самые незначительные перемещения. Работоспособность системы была проверена на аудиосистеме: при помощи движений рук пользователь может увеличивать или уменьшать громкость звука, менять воспроизводимые треки, включать и вы­ключать систему.

Данная «радарная» технология распозна­вания жестов, технические характеристики ко­торой держатся пока в тайне, была представле­на вниманию общественности на проходившей недавно конференции Google I/O. Чип радара, оснащенный всеми необходимыми сопутствую­щими электронными цепями, имеет размер, со­поставимый с размерами ногтя пальца человека. Он изготавливается по стандартной технологии производства полупроводниковых чипов, таким образом, можно ожидать скорого начала массового производства таких чипов, которые будут иметь достаточно невысокую стоимость.

Компания Google в первую очередь плани­рует начать снабжать такими чипами производи­телей миниатюрной электронной техники, такой как «умные» часы, смартфоны и прочие бытовые устройства, которые работают под управлением операционной системы Android. Для этого уже ведется подготовка специального программного интерфейса Soli API, о дате выхода которого пока еще не объявлено.

Большой адронный коллайдер начал работу на полных энергиях

В Большом адронном коллайдере начались столкновения частиц на максимальной мощ­ности в 13 тераэлектронвольт, что ознаменовало начало нового этапа работы установки после длительного перерыва, сообщается на сайте Европейской организации по ядерным исследова­ниям (CERN).

Предварительные эксперименты по запуску Большого адронного коллайдера после дли­тельного периода модернизации, длившегося 27 месяцев, начались несколько недель назад, когда частицы разгонялись до скорости 6,5 тераэлектронвольт. Сегодняшний запуск коллайде­ра на полных энергиях ознаменовал начало нового периода работы всех четырех детекторов устройства: ALICE, ATLAS, CMS и LHCb.

При помощи работы на обновленном коллайдере физики надеются расширить понима­ние Стандартной модели физики, описывающей взаимодействие элементарных частиц, а так­же обнаружить новые частицы.

Перспективы использования электрической тяги в авиации. Компания Joby Aviation использует решения Simcenter для продвижения инновационной идеи электрического самолета

Основываясь на богатом опыте проектирования и изготовления электродвигателей, проведения высокоточных аэродинамических расчетов, а также конструирования и производства планеров, компания Joby Aviation разрабатывает сразу несколько инновационных конструкций самолетов, реализующих новые и многообещающие технологии. Однако объективная сложность проекта и отсутствие опыта создания подобных конструкций вызывает необходимость проведения значительного объема очень сложных аэродинамических расчетов. Для тщательного анализа нестандартных проектных решений Joby Aviation (основанная в 2009 году частная компания со штаб-квартирой в Санта-Круз, шт.Калифорния) широко применяет систему Simcenter STAR-CCM +™.

Преимущества электрической тяги в авиации

Появление электрической тяги в авиации стало одним из самых заметных событий с момента появления реактивных двигателей. На первый взгляд может показаться, что высокая масса современных аккумуляторных батарей ограничивает применение электрических самолетов рядом второстепенных ролей. Однако характеристики электродвигателей заметно отличаются от характеристик традиционных двигателей внутреннего сгорания. Последние достижения науки и техники позволяют значительно уменьшить конструктивные ограничения, налагаемые на ряд конфигураций летательных аппаратов. Становится возможным проектировать новые типы самолетов, которые ранее считались непрактичными или же вовсе нереализуемыми. Данное утверждение особенно справедливо для самолетов ближнего радиуса действия, которые традиционно являются относительно небольшими и приводятся в движение поршневыми двигателями.

О компании Siemens PLM Software

Siemens PLM Software, бизнес-подразделение департамента Digital Factory концерна Siemens — ведущего мирового поставщика программных решений для цифрового преобразования промышленности, обеспечивает новые возможности для воплощения инноваций. Штаб-квартира расположена в г.Плано, шт.Техас, число заказчиков превышает 140 000 компаний в мире. Siemens PLM Software сотрудничает с компаниями любого размера, помогает воплощать идеи в жизнь, преобразовывать процессы создания и эксплуатации новых изделий. Для получения дополнительной информации по продуктам и услугам компании Siemens PLM Software посетите сайт www.siemens.com/plm.

Размеры, масса и специфические требования к обслуживанию ограничивают количество устанавливаемых на самолете поршневых двигателей (нередко ставится лишь один), да и выбор мест их размещения оказывается невелик. Именно поэтому большинство современных самолетов и вертолетов авиации общего назначения внешне мало отличаются от тех, что летали в 1950­е. С другой стороны, электрические силовые агрегаты гораздо меньше, легче и проще: некоторые из них имеют всего одну подвижную деталь, в то время как в поршневом двигателе обязательно присутствуют система охлаждения, электросистема, система смазки, топливная система и т.д. Благодаря подобной простоте значительно снижается и трудоемкость технического обслуживания. Чем меньше размер двигателя внутреннего сгорания, тем ниже его удельная мощность на единицу массы и КПД. Электродвигатели лишены подобного недостатка: удельная мощность и КПД электродвигателя мощностью 1 кВт практически такие же, как и у электродвигателя мощностью 1000 кВт. Кроме того, электрические силовые агрегаты имеют КПД в три раза выше (примерно 90­95% по сравнению с 30­40% у двигателей внутреннего сгорания). Электродвигатели способны работать в гораздо более широком диапазоне частот вращения и быстро менять частоту. Наконец, электрические силовые агрегаты заметно тише двигателей внутреннего сгорания. Это может подтвердить любой, кто слышал, как работает электромобиль.

Читать еще:  Что такое стартерный двигатель

Рис. 1. Компьютерная визуализация ЛА Joby S2

Конечно, простая замена двигателя внутреннего сгорания на электродвигатель снизит уровень шума и повысит КПД. Однако для получения значительных преимуществ электрический самолет надо проектировать с нуля. Свойства электрической силовой установки позволяют оснастить летательный аппарат большим числом малогабаритных двигателей без существенного усложнения (что снижает стоимость обслуживания) или утяжеления конструкции и с сохранением высоких летных качеств. Относительно малые габариты и масса заметно расширяют выбор мест установки электродвигателей на самолете. Кроме того, установка легких двигателей, используемых только на определенных этапах полета (в частности, при взлете и посадке), не приводит к существенному ухудшению характеристик, как это нередко случается с традиционными двигательными установками. Например, возникает сопротивление трения от тянущего воздушного винта, ускоряющего поток воздуха вокруг фюзеляжа. Гибкость же электрической силовой установки позволяет улучшить аэродинамику: воздушные винты можно размещать на концах крыльев, где они используют часть энергии, теряемой на завихрение воздушного потока.

ЛА Joby S2

На рис. 1 изображен летательный аппарат S2 с вертикальным взлетом и посадкой. Это основная разработка компании Joby Aviation. Ее конструкция успешно решает такие проблемы, как высокий уровень шума, значительные эксплуатационные расходы, малая крейсерская скорость и недостаточная безопасность, сильно ограничивающие сферу применения традиционных летательных аппаратов подобного размера с вертикальным взлетом и посадкой (вертолетов). Для повышения безопасности в конструкции ЛА S2 на взлете и посадке используются дополнительные воздушные винты. При выходе на крейсерскую скорость большинство винтов складываются в гондолы с целью снижения сопротивления. Конструкция лопастей — компромиссное решение, обеспечивающее приемлемые характеристики воздушного винта и невысокое аэродинамическое сопротивление гондолы. Расчет подобной конструкции потребовал применения аналитических систем высокого уровня. В Simcenter STAR­CCM+ были рассчитаны параметры нескольких вариантов воздушных винтов в различных условиях эксплуатации. Анализ конструкции гондолы в конфигурации крейсерского полета проводился с применением модели турбулентно­ламинарного перехода γ­Reθ. На рис. 2 изображены расчетная модель исходного варианта гондолы и модель гондолы со сложенным винтом и зазорами на обтекателе. Результаты расчетов показывают, что подобное изменение формы лопастей позволяет увеличить ламинарный поток и снизить сопротивление на крейсерской скорости.

Рис. 2. Модель гидрогазодинамических расчетов классической гондолы (a) и гондолы ЛА S2
со сложенными лопастями и зазорами обтекателя (b)

ЛА Joby Lotus

На рис. 3 изображен еще один проект компании Joby Aviation — аппарат Lotus. Беспилотный летательный аппарат является масштабной моделью массой 25 кг, предназначенной для изучения новой конструкции с вертикальным взлетом и посадкой. Двухлопастные воздушные винты расположены на концах крыльев и обеспечивают вертикальный взлет. После набора поступательной скорости, достаточной для появления подъемной силы на крыле, две лопасти каждого винта складываются по принципу ножниц, образуя двойные законцовки крыла. Наклоняемый хвостовой двигатель работает как руль высоты при взлете и посадке, управляя тангажом, а также обеспечивает тягу при движении вперед. Конфигурации ЛА Lotus при взлете и в крейсерском полете представлены на рис. 4. Конструкция лопастей­законцовок, расстояние между ними, аэродинамический профиль, распределение крутки и длин хорд, угол поперечного V­крыла выбраны как компромиссные решения, обеспечивающие приемлемые характеристики законцовок и лопастей.

Рис. 3. ЛА Lotus в крейсерской конфигурации. Процесс сборки

Рис. 4. ЛА Lotus во взлетной (слева) и крейсерской конфигурации

Для получения оптимальных характеристик в крейсерском полете при существующих ограничениях конструкции были проведены десятки гидрогазодинамических расчетов с различными комбинациями параметров. Для проверки упрощенных алгоритмов расчета выполнялись гидрогазодинамические расчеты лопастей в выдвинутом положении. На рис. 5 и 6 представлены результаты подобных расчетов.

Рис. 5. Гидрогазодинамические расчеты модели ЛА Lotus в крейсерской конфигурации

Рис. 6. Гидрогазодинамические расчеты воздушных винтов на концах крыльев ЛА Lotus во взлетной конфигурации

ЛА LEAPTech

Третий проект компании Joby Aviation — это участие в разработке технологии асинхронной работы винтов на передней кромке крыла (англ. LEAPTech, Leading Edge Asynchronous Propeller Technology). Данный проект реализуется в сотрудничестве с Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и компанией Empirical Systems Aerospace. Цель проекта — исследование потенциальных возможностей модернизации самолета традиционной конструкции путем установки электрической тяги. Несколько воздушных винтов устанавливаются в ряд вдоль передней кромки крыла. В момент взлета и посадки винты увеличивают скорость воздушных потоков над крылом (соответственно, и динамическое давление). Подъемная сила крыла увеличивается, что дает возможность уменьшить его размеры при сохранении той же скорости сваливания. Размер крыла малых самолетов определяется минимальной скоростью сваливания. Чаще всего он слишком велик для достижения оптимальной крейсерской скорости. Предлагаемое крыло меньших размеров позволяет развивать большую крейсерскую скорость.

Рис. 7. Гидрогазодинамические расчеты крыла во взлетной конфигурации, построенного по технологии LEAPTech. Воздушные винты представлены моделью движителя-диска

Рис. 8. Опытный образец ЛА LEAPTech в Летно-испытательном центре имени Нила Армстронга (изображение предоставлено НАСА)

Кроме того, вследствие увеличения нагрузки на крыло значительно снижается влияние турбулентности. Анализ характеристик обдуваемого крыла в системах низкого уровня весьма затруднителен. В частности, наиболее сложный этап связан с расчетом эффекта сваливания. В ходе проектирования было проведено большое количество гидрогазодинамических расчетов. Рассматривались различные комбинации размеров и мощностей винта, соотношений сторон и размеров крыла, углов атаки и т.д. Для повышения производительности при расчетах винты моделировались в виде движителей­дисков с применением метода расчета аэродинамики пропеллера, реализованного в Simcenter STAR­CCM+. Данный метод не требует точного построения геометрии лопасти, что резко снижает размер конечно­элементной сетки.

Рис. 9. Гидрогазодинамические расчеты воздушных винтов на концах крыльев

Первый этап испытаний этого варианта заключался в изготовлении полномасштабного крыла, воздушных винтов и двигателей и их установке на модифицированный полуприцеп, способный разгоняться до взлетной скорости на взлетной полосе Летно­испытательного центра им. Нила Армстронга (база ВВС США Эдвардс, шт.Калифорния). На рис. 7 показан пример модели для гидрогазодинамических расчетов данной конструкции, а на рис. 8 представлена экспериментальная установка.

Предполагается, что на крейсерской скорости винты на передней кромке крыла будут складываться и убираться в гондолы (по примеру винтов ЛА S2), а тягу обеспечат винты на концах крыла. Хотя более простые методы расчета показали свою пригодность при оценке сопротивления и эффективности работы воздушных винтов, расположенных концентрично с завихрениями на концах крыльев, методы гидрогазодинамических расчетов переходных режимов оказались самыми надежными. Был проанализирован целый ряд параметров конструкции. Один из вариантов проектного решения представлен на рис. 9. Ведется разработка опытного образца для летных испытаний. Его компьютерная модель показана на рис. 10.

Рис. 10. Компьютерная визуализация опытного образца ЛА LEAPTech (изображение предоставлено НАСА)

Заключение

Компания Joby Aviation совершенствует ЛА общего назначения, продвигая революционную концепцию электрической тяги. Компьютерное моделирование играет важнейшую роль в понимании сложных процессов и разработке нестандартных решений.

Материалы для статьи предоставлены Алексом Столлом (Alex Stoll), авиационным инженером компании Joby Aviation.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector