Концепция: мультикоптер на монотопливе с безлопастными вентиляторами

[Stak]

Попалась свежая статья, о применении безлопастных вентиляторов в качестве движителей на БПЛА.

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК «БЕЗЛОПАТОЧНЫХ» ВЕНТИЛЯТОРОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ДВИГАТЕЛЯМ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

cyberleninka.ru

Однако, в предложенной в статье схеме предполагается использование ГТД малой мощности, как источника сжатого газа для эжекторов, что само по себе дорого.

Предлагается к рассмотрению возможность оптимизации стоимости таких ЛА, путем перехода на использования монотоплива - например, раствора карбамид/аммиачная селитра, либо перекиси водорода. Главным плюсом такого подхода является возможность радиального снижения стоимости силовой установки - фактически, для квадрокоптерной схемы, в составе СУ останется следующие элементы - каталитический реактор для разложения монотоплива, турбогенератор с вихревой турбиной для энергообеспечения бортовой аппаратуры, 4 дроссельных заслонки для обеспечения управления, и 4 безлопастный вентилятора (эжектора) .

 

[daredevil]

1) Не понимаю идеологии. Они прямо говорят, что тяга у дайсона такая же, как у концентрированной струи - т.е. для висения как бы разницы нет, что дайсон, что компрессор или в Вашем случае ЖРД. А для пропульсии - мощность равна тяге, помноженной на скорость аппарата - откуда выигрыш, если тяга та же?

Да, эта вещь может замедлить воздух на выходе до скорости невозмущённого потока (формально 100%-й полётный КПД движителя) - но ведь ценой сопротивления, которое в их расчётах не учитывается.

2) Подумалось: а нужна ли дайсон-вентилятору юбка? Ведь если, как утверждается в статье, при некоторых условиях расходяшаяся кольцевая струя может загибаться к центру - то она сама может быть юбкой-диффузором оживальной формы.

 

[Stak]

1) Не понимаю идеологии. Они прямо говорят, что тяга у дайсона такая же, как у концентрированной струи - т.е. для висения как бы разницы нет, что дайсон, что компрессор или в Вашем случае ЖРД. А для пропульсии - мощность равна тяге, помноженной на скорость аппарата - откуда выигрыш, если тяга та же?

Да, эта вещь может замедлить воздух на выходе до скорости невозмущённого потока (формально 100%-й полётный КПД движителя) - но ведь ценой сопротивления, которое в их расчётах не учитывается.

2) Подумалось: а нужна ли дайсон-вентилятору юбка? Ведь если, как утверждается в статье, при некоторых условиях расходяшаяся кольцевая струя может загибаться к центру - то она сама может быть юбкой-диффузором оживальной формы.

Чем меньше скорость воздуха на выходе из вентилятора - тем выше КПД. По тексту статьи - авторы получили 20м/с на 175мм вентиляторе и тягу 44Н, что даёт тяговый кпд на висении (примем скорость 1м/с) равный 2/(1+20/1)=0.095. При скорости 20м/с - тяговый КПД приближается к единице.
Имхо, главный плюс такой конструкции - её простота, дешевизна, и технологичность. А если применять монотоплива - то и радикальное упрощение всей силовой установки.

 

[daredevil]

Имхо, главный плюс такой конструкции - её простота, дешевизна, и технологичность.

Сопло ещё проще.

Чем меньше скорость воздуха на выходе из вентилятора - тем выше КПД.

Насчёт тягового КПД: какая разница, если он не влияет на тягу и соответственно не влияет на удельную тягу (отношение тяги к подводимой мощности)? У винта мы тоже можем сделать тяговый КПД 100%, если поместим в диффузор. Но никто так не делает, потому что это имеет цену в виде сопротивления. Голый винт в полёте эффективнее (а на висении всё же в кольце, если вес кольца невелик).

примем скорость 1м/с

А почему не 0,1 или 0,01? Тяговый КПД на висении - нонсенс. На висении важна только удельная тяга. Сколько кгс тяги можно создать одним кВт мощности движка. То есть чтобы выиграть по эффективности, наш движитель должен позволять создать ту же тягу при меньшей мощности, чем сопло. А он не позволяет, я правильно понял?

 

[Stak]

И все же такой движитель выглядит заманчиво, как безопасностью (нет наружных движущихся частей), так и простотой регулирования тяги (заслонки в напорных коллекторах). Доп. плюс - форма может быть как круглая, так и вытянутая (пример - jetoptera)
Тут товарищи поигрались с серийными EDF в качестве компрессоров, по итогам (взлететь так они и не смогли) - рекомендуют использовать общий центробежный компрессор на все движители (емнип, в одной степени можно получить Pk ~ 4).

Если использовать компрессор с приводом от ГТД - например, какую либо из серийных ВСУ с отбором воздуха от компрессора - может получиться вполне интересный тяжёлый коптер с низкой массой конструкции, т. к не требуется трансмиссия.
Вихревой компрессор с прямым приводом от поршневого ДВС - тоже кажется интересным.

Если в качестве источника парогаза высокого давления использовать монотопливо, это тоже вполне должно работать, вопрос только в массовом расходе - насколько быстро закончится та масса, которую может утащить такой ЛА. Как вариан, можно использовать такой подход для обеспечения безопасной посадки такого ЛА при отказе ГТД.

https://www.researchgate.net/publication/327522719_Improving_Safety_Design_and_Development_of_a_Bladeless_Thruster_for_Autonomous_Multicopters

 

[Stak]

Вихревой компрессор с прямым приводом от поршневого ДВС - тоже кажется интересным.

Свободно-поршневой компрессор - может рассматриваться как альтернатива поршневому ДВС с компрессором, у него лучше отношение мощности к весу.
Так как для рассматриваемого движителя нужен именно сжатый воздух - промежуточное преобразование в мех.энергию вращения коленвала - явно излишне.

Т.к. оптимальный для заданного давления рабочего тела (и ширины щели сопла - определяемой конструктивно) диаметр кольца вентилятора ограничен - то для достижения заданной тяги целесообразно компоновать единичные вентиляторы в сотовые панели, придавая им близкую к шестигранной форму. При этом, неиспользуемую для подачи сжатого воздуха часть сечения вентиляторов - целесообразно использовать в качестве топливных баков.

Общая компоновка:

схема силовой установки (подача воздуха от свободно-поршневого компрессора, регулировка расхода по группам движителей - дроссельными заслонками):

По вариантам исполнения СПК - есть хорошая тема тут на форуме: https://reaa.ru/threads/svobodno-porshnevyye-generatory-gaza-i-kompressory.18638/

 

[Михаил-Нск]

Лет 20 назад в СибНИА пришел мужичок с идеей построить летающую платформу. Дайте денег и все улетим. Попросили его принести образец движителя. Принес. Кусок стальной трубы D100 мм с заваренным одним торцом. В торце отверстие мм 20. Рядом с торцем приварена по касательной еще одна труба D30 мм. - Как работает?- спрашиваем. Компрессор нужен. Дали компрессор, накачали 2 Атм, прикрутили шланг к маленько трубе. Ждем. Лежит на полу цеха, шипит, лететь не хочет. -Что дальше?- Спрашиваем. Мало атмосфер. Дали 5. Калабашка эта начала крутиться и болтаться на шланге. Поставили ее кое как вертикально. Шипит, не летит. В какой-то момент шланг вырвался из рук слесаря и эта калабашка ёб..ла стукнула автора изобретения по ноге. Он перематерился, оторвал "движитель" от шланга и убежал. Больше не появлялся.
Мораль - Инжекторные движители известны своей херовой эффективностью. Не тратьте на это свое время.