Спосіб і система для створення потенціалу по поверхні тіла

1. Спосіб надання руху, керування або маневрування тіла, у якому створюють потенціал тиску по поверхні тіла з використанням потоків рідини під тиском із сопел, отворів або прорізів по одній або більше поверхнях тіла, причому рідину під тиском нагнітають у вигляді потоків із сопел, отворів або прорізів по одній або більше поверхнях тіла від передньої кромки, створюючи потенціал тиску по поверхні тіла між передньою та задньою кромкою, який відрізняється тим, що кути між соплами, отворами або прорізями та скривленою поверхнею або поверхнями на передній кромці відрегульовують з можливістю проходження потоків із сопел, отворів або прорізів у напрямку поверхні або поверхонь під різними кутами для надання руху, керування або маневру2. Система вання тіла. для надання руху, керування або маневрування тіла, яка містить засоби для створення потенціалу тиску по поверхні тіла з використанням потоків із сопел, отворів або прорізів по одній чи більше поверхнях тіла для надання руху, керування або маневрування, причому щонайменше одна труба із соплами, отворами або прорізами в стінці труби розташована вздовж однієї кромки тіла, тим самим визначаючи його передню кромку, від якої потоки, що проходять поруч із щонайменше однією скривленою поверхнею тіла, знижують тиск по цій поверхні та створюють потенціал тиску по відношенню до його протилежної поверхні довільної форми, яка відрізняється тим, що кути між соплами, отворами або прорізями та скривленою поверхнею або поверхнями на передній кромці виконані регульованими з можливістю проходження 2 (19) 1 3 78256 4 них або шарнірно прикріплених до суден у двох до повітряних суден, оснащений пластинами, шаплощинах. рнірно прикріпленими до їхньої передньої кромки, 12. Система за одним із пп. 2-11, яка відрізняєтьрух яких демпфірується амортизаторами. ся тим, що бік підвищеного тиску тіл, приєднаних Дана заявка стосується способу та системи, у якій використовується гідродинамічний ефект для створення потенціалу по поверхні тел. Одержана цим шляхом сила використовується для руху і маневрування кораблів, підводних човнів, літаків та літальних апаратів. Гідродинаміка вивчає питання співвідношення сил між потоком рідини або газу та суміжним потоком рідини чи газу або тілом. Потік-передає силу відповідно до його швидкості та масової густини. Надалі для стислості в даній заявці слово «рідина» буде позначати «рідина або газ». У потоці або на його периферії тиск зменшується так, що спільна енергія потоку іа рідини, що обтікає потік, залишаються постійними. Цей принцип був описаний Д.Бернуллі [1]. Енергія потоку еквівалентна потенціалу різниці статичних тисків. Тиск вимірюється в паскалях, а енергія потоку становить ½rn 2, також у паскалях. Їхню еквівалентність видно з такого: Ра=Nm-2=Jm3 =W/m 3s -1. Гідродинамічний ефект є функцією масової густини рідини та квадрата її швидкості. Потік можна представити у вигляді вектора тиску. Звідси випливає, що різниця тисків передається в перпендикулярному до потоку напрямку, створюючи силу, порівн. Ñ´Ε=-¶Β/¶t (Дж.Максвелл). Міра обміну енергією вектора визначається як інтеграл взаємодії за даний час. Гідродинамічний принцип відрізняється від кінетичного принципу, описаного в трьох законах Ньютона. При використанні гідромеханіки в техніці необхідно мати на увазі різну природу цих двох принципів, тому що вони накладають різні обмеження та приводять до різних технічних наслідків. Фізичні функції та технічні елементи кінетичної технології необхідно концептуально розділяти одні від одних, а також від функцій та елементів гідродинамічної технології. Сила, одержувана реактивним пристроєм, є добутком маси на прискорення, тобто F=m·а, або добутком кількості маси на одиницю часу та її швидкість, тобто, F=m·t-1·ν. Сила, створювана різницею тисків потоку - це різниця тиску по відношенню до незбуреної рідини, помножена на площу поверхні, на яку вона діє. Тут масова густина r рідини є коефіцієнтом, тобто, F=Dp·А; або F=½r·ν2 ·Α. Гідродинамічна сила є функцією квадрата швидкості потоку. Весла та хвостові стабілізатори є реактивними пристроями. Для технічного використання кінетики рідини необхідно встановити по осі реактивний пристрій для поглинання пропульсивного імпульсу, наприклад, пропелер, гвинт, ракету, сопло або реактивний двигун. У тому випадку, коли потік використовується для створення імпульсу шляхом зменшення тиску рідини, що його обтікає, він не створює реактивної сили, тому що вони взаємно перпендикулярні. Піднімальна сила крила літака створюється за рахунок того, що воно при своєму русі розсікає зустрічне повітря, створюючи два потоки повітря. Оскільки потоки проходять з двох боків крила, вони набувають різних швидкостей та різних курсів. Крило піднімається за рахунок різниці поперечних сил потоків, яка, внаслідок швидкості літака, є відносно невеликою різницею істотно зниженого тиску, тому що і бік підвищеного тиску, і бік зниженого тиску зазнають дії повітряного потоку, що має високу швидкість. Частина піднімальної сили крила є кінетичною. Вона створюється вертикальною складовою потоку, викликаною кутом атаки крила, наприклад, занурення глісера. Пасажирські літаки демонструють нижчу потребу в потужності при технічному використанні гідродинаміки порівняно з кінетикою. На старті їхня рушійна сила становить приблизно 40 відсотків від сили, що була б потрібною як вертикальна реактивна сила, щоб підняти літак проти прискорення сили ваги (третій закон Ньютона). При польоті літака на висоті 11000м його рушійна сила складає менше 25 відсотків від необхідної вертикальної реактивної сили. Це не означає, що порушується третій закон Ньютона. Ми не маємо наміру описувати тут гідродинаміку. Гідродинамічні сили не можуть бути точно описані чи обчислені за моделями, використовуваними у кінетичній частині гідромеханіки. Сила, що створюється при використанні цього принципу в даній технології, розраховується зараз за допомогою циркуляційної моделі, як відношення реактивної сили до доцентрової сили mv2/R, або за рівнянням, яке описує принцип Бернуллі. Ці три підходи є моделями, тобто, інструментами розрахунку, причому рівняння Бернуллі є також і теорією, тобто, постулатом, який стосується конкретних властивостей реальності. На цей принцип дається посилання в норвезькій заявці на видачу патенту [3], і він є функціональним принципом запатентованого пристрою [8]. У застосовуваній на практиці технології він становить частину функції крил літака. Застосування цього принципу є відомим з експерименту, проведеного з метою збільшення піднімальної сили літаків при низькій швидкості. При використанні подовженого сопла додатковий потік повітря втягується між соплом та поверхністю, що обдувається. У порівнянні з реактивною силою потоку збільшення сили тяги склало 1,37 [5]. Проте, цей пристрій не є оптимальним, тому що більше високий к.к.д. досягається в тому випадку, коли потік має найвищу швидкість поруч із поверхнею, наприклад, крила літака. Відповідно до цього розрахунку, збільшення сили тяги у пасажирського 5 78256 6 літака становить 2,5-4. низького тиску. Різниця тисків створюється між Оптимальне перетворення енергії для технічобластю низького тиску та протилежним боком ного застосування передбачає розділення в апатіла. раті різних функцій фізичних змінних. Це було Спосіб за даним винаходом описаний у пункті зроблено, наприклад, Уаттом, який розмістив кон1 формули винаходу, а система описана в пунктах денсатор поза циліндром парового двигуна, і саме 2-11 формули винаходу. / цей принцип застосовується при перетворенні Описану тут систему не можна створити на тиску двигуна внутрішнього згоряння за допомооснові пристрою, описаного в роботі [5]. Система гою помпи на тиск у рідині. створена у непрямий спосіб на основі принципів Замість створення різниці потоків у пасивний гідромеханіки, застосовуваних у сучасній технолоспосіб, шляхом переміщення тіла в рідині, її можна гії, наприклад, у крилах літаків, пропелерах, гвинстворити у активний спосіб, шляхом переміщення тах, помпах і турбінах. Додатково були використані рідини по тілу. У цьому випадку можна створити характерні властивості обертових тр уб і близького потенціал за допомогою потоку, утвореного лише з обтікання. одного боку тіла. У цьому лежить причина застоОбтікання створює знижений тиск по поверхні, сування гідродинамічного принципу для морських який разом з тиском на протилежному боці тіла судів і для створення літаків з такими властивосстворює піднімальну силу. Підтримуване обтікання тями, яких сучасні літаки не мають. створює імпульс, який може бути використаний Вода навколо корабля в стані спокою перебудля руху та маневрування. Як показано вище, цей ває в гідростатичній рівновазі. Тиск води дорівнює спосіб є кращим для створення сили, ніж реактивні енергетичному потенціалу, тобто, Ра=Nm-2=Jm -3. пристрої. Статичний тиск на заданій глибині є постійним. Різниця швидкості повітря по крилу літака Будь-яка зміна статичного тиску рідини у відкритоскладає 5-10%. Доти, поки швидкість літака залиму басейні повиннабути непрямою, шляхом зміни шається вище граничної, гідродинамічний потенцідинамічного тиску. Те хнічно це здійснюється ствоал різниці швидкості по крилу літака буде, як покаренням потоків води. У випадку літаків та літальзано вище, мати більш високий к.к.д. потужності них апаратів використовуються потоки повітря. для створення піднімальної сили, ніж реактивна Потік або потоки води поруч із судном порусила. шують рівновагу шляхом зменшення локального Швидкість технічно створеного потоку повітря статичного тиску до рівня, обчислюваного за ріввідповідно до представленого тут способу буде нянням Бернуллі. Це еквівалентно зменшенню обмежена швидкістю звуку навіть для літаків, що локальної сили на ділянці поверхні судна, що обтімають досить низьку швидкість. Таким чином, мокається потоками, звільняючи в такий спосіб локажна буде створити більшу по величині питому підльний потенціал прилеглої рідини. німальну силу. У межах даного обмеження підніУ поєднанні з тиском незбуреної рідини з промальна сила буде залежати від використовуваної тилежного боку судна підтримувані потоки ствопотужності і дозволить забезпечити конкурентоспрюють різницю тиску по відношенню до потенціароможні швидкості літаків. лу. Ця різниця вивільняє свій потенціал, надаючи За рахунок нахиляння несучого тіла воно виімпульс судн у. користовується для створення одночасно рушійної Цей гідродинамічно створений імпульс спрята піднімальної сили. Оскільки к.к.д. реактивних мований перпендикулярно до напрямку потоків. двигунів не дуже високий, рух нахиленого несучого Він використовується для підйому та р уху. тіла, що обтікається струменем, під дією горизонПри переміщенні тіла швидкість з його протитального вектора сили буде більш ефективним. Це лежного боку, тобто, з боку, що не обтікається подозволить літакам літати на малій висоті та з нетоком, створює знижений тиск і супутню силу. Довеликою швидкістю. Маневрування за допомогою ти, поки цей знижений тиск не такий високий, як тіл, що нахиляються у поздовжньому та поперечтиск навколишнього середовища, буде існува ти ному напрямках, матиме великі переваги, дозворезультуюча сила, що штовхає тіло. ляючи поєднати маневреність вертольота з невеОписана в заявці система є простим апараликою силовою установкою, необхідною для том, який забезпечує технічний ефект шляхом гідродинамічного підйому та р уху. створення різниці тиску у рідині, що обтікає судно, Тертя та в'язкий опір по зануреній поверхні ісвивільняючи у такий спосіб частину її потенціалу, нують при кожному контакті між потоками та повещо використовується для підйому або руху. Дотерхнями, тому вони неминучі на судах. пер з літературних джерел невідомі роботи, приДві інші складові опору видні при буксируванні свячені емпіричним або теоретичним основам для корабля, а саме, підвищений тиск попереду та розрахунку розподілу енергії в рідині, сил або знижений тиск позаду. Внаслідок використання ефектів. У прикладеному до заявки списку літерагвинта, який спочатку втягує воду, а потім прискотури є роботи, що стосуються загалом гідродинарює її через диск, тиск навколо корми ще більше мічної технології [4, 7]. Іншу застосовн у інформазнижений, створюючи силу, що протидіє руху коцію можна знайти в сучасних підручниках, рабля вперед. Поява перед носом корабля голонаприклад, підручниках з морської гідродинаміки, вної хвилі вказує на підвищений тиск, який є енеробертових машин і термодинаміки. гією, необхідною для видалення води з курсу Даний винахід стосується способу та системи корабля. для створення різниці тиску по поверхні тіла шляЦі дві складові, головна хвиля та коефіцієнт хом активної подачі струменів рідини до одного чи засмоктування, розглядаються зараз як динамічні більше боків тіла, тим самим створюючи область опори, пов'язані з рухом кораблів. Разом вони 7 78256 8 споживають 30-45 відсотків потужності на валу труб визначає передню кромку цих двох засмоктудвигуна у більшості кораблів [2, 6]. вальних поверхонь. Поздовжня проекція розташоЇх також можна представити як загальні техніваної далі частини корабля визначає бік тиску. чні втрати, викликані гвинтом. За винятком частиТруби захищені вертикальним тілом спереду, ни зниженого тиску на кормі, вони не пов'язані з так що потік, що відхиляється тілом, стикається з рушійною силою корабля як такою. носом корабля у ліній або поруч із лініями, де обЗараз задача рушійної сили кораблів вирішутічні потоки стикаються з носом корабля. ється методами часткової оптимізації, тому що Кораблі та пороми, для яких дуже важливе товикористання реактивної сили гвинта накладає чне маневрування, будуть мати корму, сформоваряд обмежень на форму та робочі характеристики ну як і носовий кінець. Труби із соплами розташокораблів. Вони приймаються за умови руху корабвуються аналогічно. Гальмування виконується лів як такі, див. відповідну літератур у, наприклад, шляхом повороту труб на 90° вперед або шляхом роботи 2 та 6. Моделі для розрахунку потужності, створення обтікання кормової частини. швидкості та передбачуваних оптимальних власНа літаках скривлені поверхні або рухомі тіла з тивостей гвинтів є емпіричними і мають слабкий однією скривленою поверхнею обтікаются повітзв'язок з фізикою. Для прогнозування робочих харяними потоками з труб, розташованих поруч із рактеристик корабля випробовується його модель, лініями критичних точок. Щоб зустрічний потік не яка повинна мати певний розмір для того, щоб проходив з боку підвищеного тиску рухомого тіла, уникнути неточностей внаслідок використання до його передньої кромки шарнірно прикріплена коефіцієнтів масштабування. пластина. Амортизатори не допускають флаттер Сам гвинт є субоптимальним реактивним припластини. строєм. На основі фізичних функцій стало можлиСила, утворена різницею тиску, використовувим сконструювати оптимальний гвинт [9]. Проте, ється для підйому, руху та маневрування. На літавін не зменшує дві складові опору, пов'язані з реаках рух і маневрування забезпечуються шляхом ктивним рухом. нахилу шарнірно закріплених тіл по осі та в попеВідношення прикладеної потужності до створечному напрямку, у такий спосіб використовуютьреного імпульсу (або перший момент маси) є дійсся як вертикальні, так і горизонтальні складові векним і для літаків, і для будь-якого тіла, переміщутора потенціалу. ваного в рідині або утримуваного проти Корабель можна інтерпретувати як два разом прискорення сили ваги. К.к.д. потужності гідродискладених крила, так щоб боки зниженого тиску намічно створеної сили є більшим, ніж у реактивсформували ніс і борти корабля (див. креслення). ної сили, і це накладає менші обмеження на консЧастина корабля, що відповідає боку підвищеного трукцію та робочі характеристики судів. тиску крила, буде поздовжньою проекцією корабля Для кораблів потік, який створює різницю тисв кормовій частині. ків, буде мати швидкість, яка більш ніж удвічі пеЦей спосіб має такі переваги: ревищує швидкість корабля. При обтіканні носа Літаки можна робити невеликими, з повним корабля сила, створена різницею тисків між ним і корпусом і практично безшумним. поздовжньою проекцією розташованого далі корПоперечні сили корабля або літака будуть пуса корабля, буде більшою, ніж сила, створювана значно вищими, ніж сили, створювані кермом, загвинтом, тому що розглянуті поверхні більші за безпечуючи ефективне керування. величиною. Ця рушійна сила створюється без приЛітаки зможуть ширяти, гальмувати в повітрі, таманної втрати к.к.д. як у випадку із гвинтом, налітати по кривих з мінімальним радіусом, повертаприклад, внаслідок турбулентності потоку за гвинтися на місці, літати боком і приземлятися або том. злітати вертикально з невеликих площадок. Літак За цією технологією корабель перетворюється можна буде утримувати у вертикальному полона свій власний рушійний пристрій. женні. Відомий спосіб створення потоків по носі коПотужність буде значно менше, ніж у верторабля полягає у використанні сопел [3]. Технічно льотів. більш ефективним є розміщення сопел в стінках На кораблях к.к.д. бічного переміщення у сподвох камер високого тиску, яким надано форму лученні з поздовжнім переміщенням або незалежтруб, розташованих по лінії критичних точок або но від нього буде вищим, ніж к.к.д. поперечно прапоруч із лінією критичних точок поверхні тіла, на цюючих гвинтів, тому що використовується вся якій необхідно зменшити тиск. За допомогою ланпотужність основного двигуна. цюжка із сопел у кожній трубі рідина потоку розпоПри наявності сопел на носі та на кормі можна діляється по цій поверхні. Якщо зробити труби буде переміщати весь корабель боком (бічний обертовими, то реактивну силу потоків можна бузнос) і повертати його на місці (рискання). де використати для гальмування та керування, які Точне керування забезпечить більше легке можна здійснювати одночасно. Гальмування стане проходження по ріках, протоках і каналах. Можна можливим навіть для великих суден. буде додержуватися точного курсу без зсунення На морських судах дві тр уби розміщаються корми убік, як це робиться за допомогою руля. посередні носової частини корабля, щоб розподіКаботажні судна зможуть маневрувати без бічного ляти потоки по скривлених поверхнях. Наприклад, зносу та йти швидко навіть на невеликих глибинах. вони сформовані у вигляді одного вертикального Оскільки носова хвиля буде несуттєвою, ви хокруглого напівциліндра або двох вертикальних роутворення за кормою буде невеликим, забезпенапівциліндрів, що мають відповідний профіль для чуючи можливість проходження по ріках, протоках здійснення вищеописаного способу. Положення і каналах з більш високою швидкістю без ушко 9 78256 10 дження берегів або невеликих суден. Можна буде зменшити ерозію причалу, яка інСистему можна використати на кораблях з коли є проблемою для поромів, тому що можна широким корпусом, які будуть мати меншу змочугальмувати кормою під час причалювання. При вану поверхню і меншу вагу стали по відношенню відплитті двостороннього порому створюються до їхнього об'єму. Можна буде використовувати обтічні струмені з носового кінця. коефіцієнти форми, які зараз не застосовуються. Оскільки поромні причали здебільшого відкриті Також можна буде сконструювати корабель із мез одного боку, можна буде використовувати катаншою осадкою по відношенню до площі палуби марани. Вони будуть мати краще співвідношення або його об'єму та повної вантажопідйомності. між водотоннажністю, осадкою, вантажопідйомнісПри використанні дизель-електричного привотю та швидкістю. Два носових затвори з кожного ду або паливних елементів можна буде оптималькінця уможливлять використання існуючих поромно використовувати об'єм корабля. них причалів. Система створена за відомою технологією. Підводні човни зможуть занурюватися під Відцентрові помпи використовуються на існуючих більш гострим кутом, ніж це можливо зараз із виморських судах, тому новою деталлю системи користанням лише горизонтального керма. руху будуть лише водоструминні сопла. ВидаленЛітература ня сторонніх предметів із систем помпи - звичайна 1. Daniel Bernoulli: Hydrodynamica, 1738. процедура на морських суда х. Система проста в 2. Sv.Aa.Harvald: Resistance and Propulsion of експлуатації. Ships, John Wiley & Sons, New York, 1983. Не існує ніякого ризику перевантаження дви3. Arne Kristiansen: Норвезька патентна заявка гуна або помпи. №19905214. Система забезпечує високий ступінь безпеки. 4. B.S.Massey: Mechanics of fluids, 2 nd edition, Van Труби та сопла менше ушкоджуються, ніж гвинти, Nostrand Reinhold, london, 1970. тому що вони не виступають і не є переміщувани5. T.Menus: An experimental investigation into the ми додатковими пристосуваннями. shape of thrust-augmenting surfaces in conjunction Можна буде ізолювати двигуни та помпи від with Coanda-deflected jet sheets, University of корпуса. Завдяки цьому шум двигуна та вібрації не Toronto, 1965. будуть поширюватися по кораблю. 6. Harald Walderhaug: Motstand og framdrift, Institutt Не будуть виникати вібрації подібно вібраціям, for marin hydrodynamikk, 1988. створюваним у кормовій частині різницею тисків 7. S.W.Yuan: Foundations of fluid mechanics, 2 nd від гвинта. Сопла не будуть генерувати низькочасedition, Prentice-Hall International, London, 1970. тотну енергію, але будуть створювати лише висо8. Jan Inge Eielsen, Fluma AS: Норвезький патент кочастотний звук, який поширюється на невелику №305796. відстань, тому що він швидко згасає у воді. 9. Arne Kristiansen: Норвезький патент № 143093. Комп’ютерна в ерстка О.Гапоненко Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601