Спосіб пересування у середовищі та апарат для його здійснення

Винаходи відносяться до транспортних засобів і можуть бути використані за допомогою літальних апаратів та суден на підводних крилах. Є спосіб пересування літального апарату, в якому за допомогою двигунів апарат просувають у повітрі. За допомогою крил з аеродинамічним профілем створюють піднімальну силу, яка утримує апарат у повітрі. Одночасно за рахунок створення примусового додаткового потоку над верхньою арковою частиною крила за використанням всмоктувального ефекту двигуна домагаються збільшення піднімальної сили (див. П. Бауэрс, Летательные аппараты нетрадиционных схем, Μ. Мир, 1991, с.с. 137...139). Просування крил з аеродинамічним профілем скрізь нерухоме повітря обумовлює створення піднімальної сили, яка залежить від горизонтальної швидкості апарату. Тобто стає неможливим вертикальний зліт. За рахунок всмоктувального ефекту двигуна збільшується швидкість примусового потоку над верхньою арковою поверхнею крила, що призводить до збільшення піднімальної сили і зумовлює зменшення довжини попереднього розбігу апарату, але збільшення загальної довжини крила і товщини аркового каналу призвело до збільшення лобового опору, а також, значно ускладнило конструкцію літального апарату. Є спосіб пересування при якому з метою забезпечення вертикального зльоту змінюють напрямок вихідних від двигунів потоків з горизонтального у вертикальний. Це здійснюють шляхом примусового обдування викривленої нижньої поверхні крил. При цьому домагаються використати найбільш круту (із можливих) траєкторію зміни напрямку потоку внаслідок обмеженої довжини крила, аеродинамічна форма якого використовується для створення піднімальної сили в режимі горизонтального польоту. Але в режимі зависання і при переході в режим горизонтального польоту такий спосіб зумовлює низьку стабільність польоту, що викликає необхідність додаткової стабілізації апарату (див. П. Бауэрс. Летательные аппараты нетрадиционных схем, Μ. Мир 1991, с. 223). Нестабільність літального апарату обумовлена тим, що при переході з одного режиму польоту у другий піднімальна сила, що створюється на різних ділянках крила, не тільки за величиною, але і за напрямом змінюється відносно центру ваги апарату. Є апарат для пересування в середовищі, який включає в себе фюзеляж, крила, що виконані у вигляді аркових і прямолінійних ділянок з використанням аеродинамічного профілю по всій довжині крила та двигуни, що встановлені в зоні аркових ділянок крил (див. П. Бауэрс, Летательные аппараты нетрадиционных схем, Μ. Мир, 1991, с.с. 137...139). Встановлення корпусу двигуна над верхньою робочою поверхнею створило перешкоду для пересування примусового потоку в вертикальному напрямку. Тобто, це призвело до зменшення маси повітря і швидкості його пересування зверху униз за рахунок усмоктувального ефекту двигуна. А це, на підставі другого закону Ньютона, зменшує реактивну силу, що діє у протилежному напрямку і спрямована знизу угор у. Тобто, це призвело до незначного росту піднімальної сили, що виникає на арковій частині крила. Як наслідок, виникла необхідність збільшення загальної довжини крила за рахунок прямолінійних ділянок крил. Застосування аеродинамічного профілю на арковій частині крила та збільшення загальної довжини крила призвели до значного ускладнення конструкції крила і збільшення лобового опору. Є літак VZ-3 фірми "Райан" (див. П. Бауэрс, Летательные апараты нетрадиционных схем, Μ. Мир, 1991, стр. 223), в якому крило аеродинамічного профілю оснащено по всьому розмаху дво щелевими закрилками, які можуть відхилятися на 90°, змінюючи напрямок вихідних від двигунів потоків. Для забезпечення керованості апарату в режимі висіння і низькошвидкістного польоту в хвостовій частині літака встановлені додаткові сопла. Така конструкція обумовлює підвищену складність конструкції і низьку керованість літального апарату під час висіння і переходу до сталого горизонтального польоту. В основу винаходів поставлено задачу по удосконаленню способу пересування у середовищі та апарату для його здійснення шляхом забезпечення можливості вертикального зльоту апарату за рахунок збільшення піднімальної сили, що виникає на верхніх робочих поверхнях і створення піднімальної сили на поверхнях, що обдуваються, такої, що є сталою за своєю величиною і напрямком на всій довжині поверхонь, що обдуваються, і не потребує зміни напрямку вихідних від двигунів потоків відносно горизонтального напрямку пересування апарату на всі х стадіях польоту. В способі це досягається шляхом зміни напрямку пересування вхідних до двигунів потоків відносно осі двигуна в вертикальному напрямку і спрямуванням його зверху униз з одночасним збільшенням швидкості потоку. Формують цей потік пристайним до верхніх робочих поверхонь. Вихідні від двигунів потоки формують у вигляді конусних поверхонь такими, що за формою своїх верхні х поверхонь співпадають з формою нижніх поверхонь апарату, що обдуваються. За формою поверхні, що обдуваються, виконані такими, що обтискають верхні і бічні поверхні вихідних від двигунів потоків у напрямку трьох просторових координат, чим забезпечують сталість величини статичного тиску в кожній точці поверхонь, що обдуваються. При цьому форма поверхонь, що обдуваються обумовлена розмірами, які визначаються із залежностей b a i = - gi - ei 2 ; b 2 , де a і - змінний кут між дотичною до поверхні, що обдувається та віссю двигуна у напрямку будь якої з твірних конусної поверхні вихідних від двигунів потоків, величина якого змінюється в кожній точці профілю із збільшенням відстані від двигуна; b - кут при вершині конусної поверхні вихідного від двигуна потоку; gі - змінний кут природного згасання потоку у нерухомій атмосфері, величина якого збільшується в кожній точці профілю із збільшенням відстані віл двигуна і зменшенням швидкості потоку; eі - змінний кут атаки величина якого збільшується в кожній точці профілю із збільшенням відстані від двигуна і зменшенням швидкості потоку. Спосіб по п.1 передбачає створення такої конусної поверхні вихідних від двигунів потоків, що розширюється в напрямку свого пересування. gi + e i £ Поставлена способом задача реалізується за допомогою апарата, корпус якого містить у собі верхні робочі поверхні. Форма цих поверхонь виконана спряженою з формою нижніх поверхонь вхідних сопел двигунів. А верхні поверхні ви хідних сопел виконують спряженими з нижніми поверхнями апарату, що обдуваються. Згідно винаходу, вер хні робочі поверхні виконані у вигляді частин циліндричних поверхонь, розташованих перед двигунами і твірна яких спрямована до осі двигуна під кутом, що визначається із залежності: 0°£x£30°, де x - кут між віссю двигуна і віссю циліндричного півкільця у вертикальній площині. Зміна траєкторії руху вхідного до двигунів потоку в вертикальному напрямку і спрямування його зверху униз забезпечує створення відповідної сили в протилежному напрямку, яка спрямована знизу угору. Збільшення швидкості всмоктуваної двигуном маси повітря збільшує величину відповідної сили, що виникає на верхніх робочих поверхнях, тобто, це призводить до росту величини піднімальної сили. Виконання вихідних від двигунів потоків у вигляді конусних поверхонь дозволяє створити розповсюдження цих потоків у середовищі як вздовж осі двигунів так і в перпендикулярних до цієї осі напрямках. Тому спрямування верхніх частин потоків на поверхні, що обдуваються призводить до появи піднімальної сили, що залежить від швидкості вихідного потоку в вертикальному напрямку. Обтискання верхніх і бічних поверхонь вихідних від двигунів потоків за допомогою поверхонь, що обдуваються у напрямку трьох просторових координат запобігає розширенню потоку внаслідок його природного згасання у нерухомій атмосфері, і, як слідство, це запобігає зменшенню тиску в потоці. Кут a і задає найбільш оптимальну форму поверхонь, що обдуваються, і забезпечує створення найбільшої піднімальної сили за рахунок зміни траєкторії пересування верхньої частини вихідного від двигунів потоку і забезпечує сталість величини статичного тиску в кожній точці поверхні, що обдувається. Створення піднімальної сили в напрямку, перпендикулярному до осі двигуна забезпечується за рахунок кута конусності потоку b. Збільшення піднімальної сили досягається за рахунок використання ефекту згасання вихідних від двигунів потоків в нерухомій атмосфері, що характеризується кутом gі. Кут атаки eі сприяє збільшенню піднімальної сили за рахунок остаточної зміни траєкторії пересування верхньої частини вихідного потоку, що стає необхідним за умови використання вихідних під двигунів потоків у вигляді конусних поверхонь, що розширюються в напрямку пересування потоку. Формування вихідних потоків у вигляді конусних поверхонь, що розширюються в напрямку пересування потоку призводить до створення піднімальної сили за рахунок примусового пересування верхньої частини потоку в вертикальному напрямку вгор у. В апараті виконання верхніх робочих поверхонь у вигляді частин циліндричних півкілець дозволяє спростити конструкцію за рахунок ліквідації аеродинамічного профілю та зменшити лобовий опір апарата внаслідок зменшення товщини кільцевого півканалу. Розташування кільцевих півканалів перед двигунами призводить до збільшення піднімальної сили, яка виникає на верхніх робочих поверхнях. Спрямування осі циліндричного півкільця під кутом до осі двигуна дозволяє збільшити статичну піднімальну силу, а також, в режимі горизонтального польоту збільшити піднімальну силу за рахунок відкидання униз мас повітря, що набігають на нього. Виконання вихідних сопел двигунів у вигляді конусних поверхонь формує ви хідні від двигунів потоки у вигляді конусних поверхонь, що веде до створення статичної піднімальної сили (тобто піднімальної сили, що не залежить від швидкості пересування апарату у середовищі). Використання напрямної цього конуса у вигляді геометричної фігури, верхня і нижня сторони якої є паралельними прямолінійними відрізками, спряжених по боках півколами, реалізує найбільш просту конструкцію вихідного сопла двигунів. Вище наведене дозволяє забезпечити вертикальний зліт апарату за рахунок збільшення піднімальної сили, що виникає на верхніх робочих поверхнях, та створення піднімальної сили на поверхнях, що обдуваються, і яка є сталою за величиною і напрямком на всій довжині поверхонь, що обдуваються, і не потребує зміни напрямку вихідних від двигунів потоків відносно горизонтального напрямку пересування апарату на всі х стадіях польоту. На фіг.1 зображено двигун, що створює вхідний до двигуна потік за рахунок усмоктувального ефекту; на фіг.2 зображено двигун разом з верхньою робочою поверхнею; на фіг.3 - вид А на фіг.2; на фіг.4 двигун, що створює вихідний потік плоско-паралельної форми; на фіг.5 - розріз Б-Б на фіг.4; на фіг.6 - двигун, що створює вихідний потік конусної форми; на фіг.7 - двигун, що створює вихідний потік конусної форми разом з поверхнею, що обдувається. На фі г.8 зображено загальний вид апарату для пересування в середовищі; на фіг.9 - вид зверху на фіг.8; на фіг.10 - вид збоку на фіг.8; на фіг.11 - суміщені розрізи В-В, Г-Г, і Д-Д на фіг.8. В запропонованому способі використовуються два фізичних е фекти, які направлені на створення такої піднімальної сили, що не залежить від швидкості пересування апарату у середовищі. При пошуку аналога мною не виявлено апарату, який об'єднував би обидва ефекти в один спосіб. Тому за найближчі аналоги взяті два апарати, які нічого спільного між собою не мають (що стосується питання створення статичної піднімальної сили), але кожен з них окремо вирішує задачі аналогічні тим, що вирішує запропонований спосіб. Разом з тим, теоретичне обґрунтування фізичної суті створення статичної піднімальної сили в наведених аналогах свідчить про те, що вони лише зовні схожі з запропонованим способом. Але з фізичної точки зору вони використовують інші фізичні ефекти. Тому виникає необхідність ґрунтовного роз'яснення фізичної суті процесів, що використовуються в цьому винаході. За рахунок всмоктувального ефекту двигуна (див. фіг.1) у середовищі створюють вхідний потік, що рухається до двигуна в напрямку трьох просторових координат. І якщо пересування верхньої частини потоку (над горизонтальною віссю двигуна) спрямоване зверху униз спроможне викликати утворення відповідної сили, що спрямована у зворотному напрямку, тобто створити піднімальну силу. То пересування потоку в нижній частині (під горизонтальною віссю двигуна) спрямоване знизу угору викликає утворення відповідної сили, що створює від'ємну піднімальну силу. Всмоктування повітря з боків є нейтральним тобто не веде до створення а ні позитивної, а ні від'ємної піднімальної сили. Метою винаходу в цьому сенсі є наступне: за допомогою верхніх робочих поверхонь зробити неможливим всмоктування повітря з під апарату (див. фіг.2) і обмежити його всмоктування з боків (див. фіг.3). Цим досягається дві мети: a) зменшується тілесний кут простору з якого всмоктується повітря. Це призводить до збільшення швидкості потоку, що всмоктується Vc p.; b) змінюється напрямок всмоктування повітря з горизонтального на фіг.1 до такого, що спрямований під кутом h до горизонту на фіг.2. Ці два фактори роблять спроможним утворення відповідної сили у напрямку, протилежному до напрямку вектора V1 на підставі закону про збереження кількості руху. Але для то го, щоб ця сила виникла необхідно, щоб форма потоку в його нижній основі була пристайна з формою верхніх робочих поверхонь. Протікання потоку над поверхнею, яка за формою співпадає з формою потоку, обумовлює виникнення такої сили на підставі рівняння Бернуллі за яким: r 2 Pст = V2 - V2 2 , де ( ) r - щільність повітря; V - швидкість потоку над верхньою робочою поверхнею; V2 - швидкість потоку під верхньою робочою поверхнею. Тобто ця сила забезпечує притискання верхньої робочої поверхні до вхідного потоку. А разом з відповідною силою, що виникає при всмоктуванні потоку під кутом h до горизонту, ці дві сили створюють необхідні і достатні умови для виникнення статичної піднімальної сили, що не залежить від швидкості апарату у середовищі. Таким чином створюється статична піднімальні сила за рахунок всмоктувального ефекту двигунів. Для того, щоб перейти до механізму створення статичної піднімальної сили за рахунок вихідного від двигуна потоку необхідно спочатку ввести термін - кут природного згасання потоку в нерухомій атмосфері gі. Розглянемо його суть на прикладі, відображеному на фіг.4, де за допомогою двигуна 1, що має сопло сплющеної форми (фіг.5) створюють ви хідний потік 2 плоско-паралельної форми. Потік, що виривається із двигуна починає одразу згасати в нерухомій атмосфері. Швидкість його поступово зменшується. На підставі принципу нерозривності потоку має чинність наступна залежність: V3 S 4 = V4 S 3 , де V3 і V4 - швидкість потоку в двох послідовних довільних точках потоку. S4 і S3 - площа поперечного перерізу потоку в ци х точках. Тобто із зменшенням швидкості внаслідок природного згасання потоку площа його перерізу із збільшенням відстані від двигуна збільшується. Іншими словами плоско-паралельний потік набирає вигляду геометричної фігури, що розширюється із збільшенням відстані від двигуна. Тому вектор швидкості потоку в кожні наступній точці змінює свій напрямок на величину кута gі. Визначимо його як кут природного згасання потоку у нерухомій атмосфері. Зазначимо траєкторію верхньої частини потоку як поверхню К, відповідно нижню частину - як поверхню Л. проведемо через точку Μ поверхню, що паралельна до поверхні Л і отримаємо поверхню Е. Ця поверхня являє собою ізобаричну поверхню. При обдуванні цієї поверхні вихідним від двигуна потоком величина тиску по всій довжині буде залишатися сталою внаслідок сталості площі поперечного перерізу. І в кожній точці цієї поверхні діє піднімальна сила, обумовлена дією складового вектора 2Vв, на цьому рівні винахід відтворює створення піднімальної сили в прототипі (літак VZ - 3 фірми "Райан"), де піднімальна сила створюється за рахунок зміни траєкторії потоку на кут gі . Але вже на цьому рівні досягається сталість величини піднімальної сили як за величиною, так і за напрямом дії. Наступний крок - це створення збільшеної піднімальної сили без зміни напрямку потоку в цілому. Звернемося до фіг.6, де двигун створює конічний потік, що розширюється у напрямку пересування і кут при вершині конуса дорівнює b. При горизонтальному розташуванні двигуна нижня частина вихідного потоку 2, що розташована нижче від горизонтальної осі двигуна створює реактивну силу під дією якої апарат пересуватиметься вгору. Але верхня частина вихідного потоку створюватиме реактивну силу в протилежному напрямку. Метою винаходу в цьому випадку є використання верхньої частини потоку також для створення позитивної піднімальної сили, що спрямована вгору. Тобто необхідно деформувати верхню частину потоку так, як це було зроблено в вищенаведеному випадку. Див. фіг.7, де вихідний від двигуна потік формують за допомогою вихідного сопла двигуна таким, що має кут при вершині конусу b. Внаслідок природного згасання в нерухомій атмосфері під кутом згасання gі потік перетворюється у геометричну фігур у, що обмежена зверху і знизу поверхнями К і Л відповідно. Перенесемо поверхню Л в точку М, створюючи поверхню Е. Але на відміну від плоско-паралельного потоку в даному випадку розсіювання вихідного потоку в а тмосфері має не тільки природній, але ще й штучний характер за рахунок кута b. Тому з метою одержання найбільшої піднімальної сили верхню частину вихідного потоку додатково деформують на величину, що обумовлена кутом eі що визначається із залежності: gі+eі£b/2. При цьому поверхня Ε приймає вигляд, зазначений позицією Ж. Ця залежність обумовлює найбільшу деформацію верхньої частини вихідного потоку при незмінній горизонтальній траєкторії потоку в цілому. Таким чином в порівнянні з варіантом на фіг.4 домагаються збільшення піднімальної сили за рахунок збільшення складової вектора Vв при горизонтальному розташуванні вісі двигуна. При цьому по всій довжині поверхні, що обдувається, зберігається ізобарний характер тиску. Таким чином обтискають вихідний від двигунів потік у напрямку двох просторових координат. Наведені схеми виконані у вертикальній площині, яка співпадає з горизонтальною віссю двигуна. Але деформацію верхньої частини вихідного потоку здійснюють у всіх площинах, що проходять через вісь двигуна, чим досягають обтискання і в напрямку третьої осі координат. Необхідно підкреслити таку фізичну відмінність наведеного способу від прототипу. Якщо в прототипі розворот потоку на кут 90° здійснюється при найбільшій можливій швидкості потоку, то в цьому винаході швидкість верхньої частини потоку на виході із контакту з поверхнею, що обдувається, під кутом 90° до осі двигуна здійснюється при нульовій його швидкості внаслідок повного згасання швидкості верхньої частини потоку. Тобто, постійне примусове обдування поверхні Ж створює такі умови, що реактивна сила від деформації верхньої частини потоку спрямована постійно тільки на створення піднімальної сили, що утримує апарат у повітрі на всіх стадіях польоту. А реактивна сила недеформованої нижньої частини потоку забезпечує пересування апарату в горизонтальному напрямку. Таким чином, сумарна піднімальна сила, що виникає в даному способі, складається із трьох складових, що не залежать від швидкості апарату у середовищі: 1. Піднімальна сила, що утворюється на верхніх робочих поверхнях під дією вхідних до двигунів потоків; 2. Піднімальна сила що створюється на поверхнях, що обдуваються внаслідок згасання швидкості верхніх частин ви хідних від двигунів потоків; 3. Поверхня, що обдувається, являє собою просторову стереометричну фігур у, всередині якої знаходиться розігрітий двигуном газ. Тому виникає додаткова піднімальна сила за рахунок теплової конвекції розігрітого газу угору. По аналогії з аеростатичною піднімальною силою, що виникає в повітряній кулі. Всі три складові виникають при горизонтальному розташуванні двигунів, і їх величина не залежить від швидкості пересування апарату в середовищі. Величина складової піднімальної сили також не залежить від режиму польоту (вертикальний, горизонтальний, чи перехідний), внаслідок того, що напрямок пересування примусових потоків залишається незмінним на всіх стадіях польоту. Цей спосіб реалізується в апараті для пересування у середовищі, який зображено на фіг.8-фіг.11. В ньому двигуни 1 встановлюють на корпусі 3. Під кутом x до осі двигунів встановлюють вакуумні екрани 4, поверхні яких І являють собою верхні робочі поверхні. Вакуумні екрани 4 виконують у ви гляді частин циліндричних півкілець, спряжених з нижніми поверхнями вхідних сопел двигунів. А вер хні поверхні вихідних сопел виконують спряженими з нижніми поверхнями апарату, що обдуваються, 5. До того ж ви хідні сопла двигунів виконують у вигляді конусних поверхонь, що мають кут конусності b, а направляюча цього конуса має форму геометричної фігури вер хня і нижні сторони якої є паралельними прямолінійними відрізками, що спряжені між собою двома півколами. Поверхні, що обдуваються, спрямовують під кутом a 1 до осі двигунів в будь якій площині, що проходить через вісь двигунів. Тобто поверхні 5 мають ізобаричну форму Ж, зображену на фіг.7. Пересування апарату у середовищі здійснюють у такий спосіб. За допомогою шасі і гальм (на фігурах не зазначені) апарат утримують нерухомим відносно землі. Потому запускають двигуни. За рахунок всмоктувального ефекту в нерухомій атмосфері виникають вхідні до двигунів потоки, які характеризуються швидкістю Vср і спрямовані під кутом h до осі двигунів. На підставі фізичного процесу, описаному в способі, виникає піднімальна сила РІ, що прикладена до вакуумного екрану 4. Одночасно вихідні від двигунів потоки примусово обдувають поверхні 5, що створює піднімальну силу Рж. Крім того, виникає піднімальна сила Рт внаслідок термічної конвекції газу. Після того, як сумарна піднімальна сила перевищить вагу апарату, почнеться його рух в вертикальному напрямку вгору і одночасно під дією реактивної сили нижньої частини вихідних потоків почнеться пересування апарату в горизонтальному напрямку. Тобто здійснюється зліт з місця без попереднього розгону апарату. Необхідно підкреслити ще одну роль вакуумних екранів 4, що встановлені під кутом x до осі двигунів. Використання цього кута дозволяє додатково зменшити тілесний кут простору, з якого всмоктується повітря в двигун. Це додатково збільшить швидкість вхідних до двигунів потоків і додатково збільшить кут h, що призведе до подальшого росту статичної піднімальної сили РІ. Одночасно при горизонтальному польоті нижня поверхня вакуумного екрану 4, що набігає на нерухоме повітря, відкидає донизу значні маси нерухомого повітря, чим додатково збільшує піднімальну силу. Але в порівнянні з аналогом (арочне крило Кастера) вакуумний екран 4 має менший лобовий опір в наслідок ліквідації аеродинамічного профілю. При цьому турбулентність потоку на поверхнях І не виникає в наслідок того, що двигуни створюють примусові потоки за рахунок всмоктувального ефекту, що забезпечує ламінарний характер примусового потоку над поверхнею І.