/idea/ Солнечный самолет на тепловых коллекторах

novik0691 сказал(а):
Задача: Есть летательный аппарат с реактивным двигателем с внешним подводом тепла 100 кВт, в качестве рабочего тела- забортный воздух с температурой -23 градуса. Остальные исходные данные должны быть близки к реальным (придумайте сами), КПД и пр. понижающие коэффициенты в расчет не брать.
Вопрос: какова скорость и температура рабочего тела на срезе сопла.
И как говаривала моя школьная математичка: " Я не могу поставить тебе "пятерку" в умную голову, а вот "двойку" в пустую тетрадь- могу".

скорость не высокая - в этом-то и вся фишка - можно будет изготовить очень навороченные и эффективные турбины, используя подручные материалы и простые технологии...

Я обычно при проектировании в подобных задачах использую уравнение адиабаты для быстрых грубых прикидок и оценок

p * v^gamma = const
(gamma для воздуха 1.4)

http://ru.wikipedia.org/wiki/Адиабатический_процесс

Полезно составить табличку экв. скоростей, давлений и температур - я когда-то использовал это и для проектирования всяких холодильных систем вроде кондиционеров, чиллеров или холодильников на вихревых трубках, турбин, вентиляторов(в принципе можно сразу оценить по скорости турбины какую дельта-т можно получить)...  Не поленитесь посчитать и составить табличку - хорошо наводит на мысли при проектировании.
(кстати после этого я понял что давления в промышленных пневмосистемах выбраны повышенными(скорее всего из-за длинных сетей), и КПД пневматики обычно плохой...
При гораздо меньших давлениях уже достигается скорость звука и очень низкие абс. Т, так что компрессоры в более низком диапазоне давлений(как в колесе ат до 2-3 😉 ) обычно оказываются более выгодными, и тогда применение пневматики становиться очень выгодно)

Vladimir
PS  с уменьшением абсолютной температуры на высоте КПД при той-же дельта-т будет тока расти, так что морозный воздух такому двигателю более выгоден...
 
С нагревателем вариантов много, но фреон  - это лишнее. С рабочим телом из холодного забортного воздуха намного меньше проблем, не говоря о цене.

вот именно!

А фреоны(и вообще все где есть фазовый переход) с точки зрения термодинамики жуткая дрянь, ухудшающая КПД, даже в холодильниках...
(я кстати вообще не понимаю чего до сих пор возяться с капиллярными трубками и тп ерундой, тогда как в компрессорах уже изменяемой амлитудой хода поршня линейного компрессора и инверторным управлением никого не удивишь...  Давно уже пора заменить капиллярку турбодетандером, кстати и давления можно будет понизить, и КПД вырастит...  Ну да ладно - это я отвлекся 😉 )

Иногда конечно есть какая-то выгода от фазового перехода - например, на ТЭЦ таким образом удается заменить компрессор насосом, но в общем виде теплота фазового перехода обычно является "левым пассажиром", проскакивающим на халяву(и за разом перенося с собой тепло и снижая КПД) через установку, не делая ничего полезного...

Единственная причина по которой еще имеет смысл возиться с хладагентами - это теплообменники.  (Или там где нужен именно перенос теплоты, а не совершение работы - например в тепловых трубках)
Вот тут фазовый переход позволяет немного съэкономить на теплообменниках и увеличить их эффективность - за счет фазового перехода потерь температуры почти нет, и удается передать большую мощность на единицу прощади...
(например - жидкостные и газовые линии между наружным и внутренним блоком кондиционера)


Что касается отбора мощности от такого солнечного двигателя, то его можно получить увеличив дельта-т - раньше я так и хотел сделать, высокотемпературные коллекторы в крыле сделать тоже возможно, но они получаются чуток тяжелее и требуют заморочек с точной фокусировкой...  (сделать можно из черных трубок и фокусирующих отражателей, это тоже реально, Т можно легко получить в сотни градусов, но это сложнее и тяжелее, поэтому хочу для начала попробовать низкотемпературный вариант, он проще, но если не получиться то можно будет использовать высокотемпературный вариант коллектора с двигателем большего КПД и воздушный винт)


В авиационных двигателях используются оба подхода для повышения эффективности - вариант с отбором мощности это турбовинтовой или турбовентиляторный двигатели.   Там увеличивают массы воздуха за счет винта - идет отбор механической мощности от турбины и подводиться к винту, чтобы создать ту-же тягу расходуя меньше мощности...

А вот в турбореактивном авиационном двигателе обычно с повышением температур и КПД не заморачиваются - все равно это не так важно, выгодно прокачивать через двигатель большие массы воздуха, что и снижает температуры...
В общем, надо попробовать развить эту идею дальше, вплоть до низких температур - это даст возможность использовать простые солнечные коллекторы и халявную солнечную энергию вместо топлива...


PS  кстати, а какой вклад в общее сопротивление полету дает передняя кромка крыла?..
А то в принципе можно ее хоть всю превратить в воздухозаборник - такой движок за большие массы воздуха тока спасибо скажет, можно хоть весь лобовой поток ему скормить 😉

PPS  а знаете что меня прикалывает в авиации?   То что на высоте температура и так низкая - можно сделать летающий холодильник, причем для этого даже делать охладитель не нужно 😉)
 
tvv385 сказал(а):
скорость не высокая - в этом-то и вся фишка
Сколько в скоростях набегающего потока? 10 или 100, или 1000? И про температуру ничего не сказали... Скока в гр...? 😉

tvv385 сказал(а):
а какой вклад в общее сопротивление полету дает передняя кромка крыла?..
А то в принципе можно ее хоть всю превратить в воздухозаборник - такой движок за большие массы воздуха тока спасибо скажет, можно хоть весь лобовой поток ему скормить
Вряд-ли,- верхняя кромка заборника станет нижней поверхностью крыла, а нижняя кромка- верхней поверхностью образовавшегося нижнего крыла, но сумма сопротивлений вновь образовавшихся кромок будет не ниже.
 
В данном случае есть смысл в качестве компрессора и двигателя (для винта)использовать такие объёмные устройства как мембраны, диафрагмы или меха, поскольку рабочие давления и температуры невысоки. С печкой в деревне, при нагреве за 500гр, термический кпд будет уже за 60%. Тут уж пластик не пойдёт.
 
novik0691 сказал(а):
tvv385 сказал(а):
скорость не высокая - в этом-то и вся фишка
Сколько в скоростях набегающего потока? 10 или 100, или 1000? И про температуру ничего не сказали... Скока в гр...? 😉

а формулы для адиабаты и таблицы экв скоростей и температур так и поленились вывести?  Лентяи 😉

Ну ладно, вечером напишу - но я думаю удочка всегда полезнее рыбы...  Дело ваше как говориться 🙂


tvv385 сказал(а):
а какой вклад в общее сопротивление полету дает передняя кромка крыла?..
А то в принципе можно ее хоть всю превратить в воздухозаборник - такой движок за большие массы воздуха тока спасибо скажет, можно хоть весь лобовой поток ему скормить
Вряд-ли,- верхняя кромка заборника станет нижней поверхностью крыла, а нижняя кромка- верхней поверхностью образовавшегося нижнего крыла, но сумма сопротивлений вновь образовавшихся кромок будет не ниже.
[/quote]

ладно, пускай общая не измениться - но ведь движок будет использовать энергию набегающего потока!..
(В принципе это можно рассматривать либо как экв. уменьшению лобового сечения, либо халявной мощности, которую может усвоить и переварить хороший двигатель...)

Кстати, вот еще нагуглилось, хотя в исполнении изобретателей это выглядит смешно(с точки зрения аэродинамики лучше бы сесть на вихри сзади), но тем не менее может навести на мысли...

http://www.freepatent.ru/patents/2467908

http://www.freepatent.ru/patents/2387873

Vladimir
PS  а че, может кто хочет патентным троллингом позаниматься? 😉
 
georgii-2 сказал(а):
В данном случае есть смысл в качестве компрессора и двигателя (для винта)использовать такие объёмные устройства как мембраны, диафрагмы или меха, поскольку рабочие давления и температуры невысоки.

IMHO проще спроектировать крыло так, чтобы оно изгибалось под действием давления...   3 градуса это 0.01 ат - в принципе это уже 100 кгс/м2, не так уж и мало, особенно если учесть что можно получить "редукцию"(в смысле что растяжение тонкого материала на доли процента вызывает его изгиб с большой амплитудой движения краев)...

Где-то вроде попадался ролик какого-то прикольного махолета - кажись канадцы(?) чтоли слепили, прикиньте, на педалях!..   Вроде даже летал, правда мощи пилота надолго не хватает, но тут-то сотни кВт халявной мощности...  Не исключено что и к парапланам и кейтам возможно можно будет прикрутить этот принцип, а это будет уже не только прикольно, но и практически полезно...
(хотя меня прикалывает идея пока там солар импульс пилит бюджеты помахать у него под носом крылышками и прихватизировать рекорд беспосадочного перелета, пока они там теляться 😉 )

georgii-2 сказал(а):
С печкой в деревне, при нагреве за 500гр, термический кпд будет уже за 60%. Тут уж пластик не пойдёт.

ну, на высокие Т слепить движок не сложно - сложнее оказалось другое...  (да и там как оказалось горячая тока небольшая часть движка - все остальное можно делать из пластика и даже бумаги)

Интереснее всего
- использование тепла сточных вод - на ГВС расходуется не меньше чем на отопление...
- аккумулирование энергии - вместо электрических аккумуляторов можно использовать тепловой, то есть по сути бак с горячей водой вместо дорогих и недолговечных аккумуляторов...   А там на него(и общий 1 генератор) отлично навешивается не только печка, но и солнечные коллекторы и даже ветряки(причем более простой и эффективной пневматической схемы)...  Даже холод бонусом получить не сложно...
- интеграция с системами очистки сточных вод(бактерии тепло любят - в этом смысле классический американский HRV теплообменник на канализации имеет не только хреновый КПД, но создает проблемы с очисткой)...  Так что руки чешуться запатентовать, from russia with love, как говориться 😉

Vladimir
 
Может пригодится кому...
Шерсть белого медведя представляет собой на самом деле почти идеальное "чёрное тело". Т.е. почти полностью поглощает свет, естественно нагреваясь при этом.
Относительно к идее махолёта - например, верхний объём крыла заполнен чем-то вроде стекловаты поглощающей свет.
После нагрева объёма и соответствующей деформации крыла давление сбрасывается, объём продувается новой порцией воздуха и снова рабочий ход. Можно по очереди использовать и верхнюю, и нижнюю части крыла.
Можно, конечно, использовать и обычное использование рабочего тела.
 
Там интереснее разобраться что канадцы за режим для махолета применили - на птицу или то что показывают в кино или научных статьях он у них не очень-то похож, по виду скорее ближе к обычному планеру с длинными крыльями...
Как машет почти не заметно - какой-то хитрый волновой режим чтоли применили?..
(в общем если не лень, сделали бы отдельную темку про это канадское чудо-юдо с педалями, мож там что полезное народ откапает...  Ну и просто интересно насколько самодельщики оценят его по сложности...)

Что касается отражения/поглощения ИК - то на солнечных коллекторах и даже оконных стеклах давно уже применяют селективные покрытия...  В общем пока это не проблема, думаю решаемо.  Кстати обычные пленки скорее всего прозрачны в видимом диапазоне(где основная энергия солнечного света), и не прозрачны в ИК - можно найти таблицы ИК спектров(в химических анализах применяется) полимеров и посмотреть их спектры.
(иногда еще используют металлизацию пленки, но тут думаю проще будет уменьшить дельта-т при черной в ИК пленке - там короче теплопотери зависят как 3 степень от дельта-т, то есть с увеличением числа слоев теплоизоляция резко растет, кстати в вакуумной многослойной изоляции тот-же принцип, правда там чаще пытаются применить металлизированные пленки для уменьшения числа слоев, но это не принципиально, при изготовлении "на коленке" думаю проще добавить несколько лишних слоев чем возиться с металлизацией...)
 
Ну и уж если махать, то конечно же не только крыльями. В корне-то мах нулевой. Махать надо и вертикальными законцовками крыльев - работать будет всё крыло.
 
Относительно к идее махолёта - например, верхний объём крыла заполнен чем-то вроде стекловаты поглощающей свет.После нагрева объёма и соответствующей деформации крыла давление сбрасывается, объём продувается новой порцией воздуха и снова рабочий ход.
+1. Можно сделать верхнюю поверхность из прозрачной пленки, а нижнюю и нервюры из черной ткани. Пусть площадь крыла будет типичная 25 м2, из нее из-за арочности окажется освещена только половина, 12.5 м2. Пусть поглощается только половина света (так как пленка не идеально прозрачна), тогда тепловой энергии оказывается около 6 кВт.

Использовать нагретый воздух для питания теплового двигателя типа стирлинга и вращения им винта нет смысла, во-первых какой у них кпд? Около 30% в лучшем случае, так что останется 1.8 кВт, а этого мало для полета, как как кпд винта на тких скоростях тоже около 50%. Да и при таких объемах воздуха механический стирлинг вряд ли возможен.

А вот использовать меха, клапаны, аналог пневмопоршней это уже реальнее. Кто-нибудь может объяснить, на сколько увеличится давление воздуха объемом 4 м3 (примерно столько воздуха внутри параплана), при нагреве его с летних 28 градусов до 40-50 градусов? Я так понимаю, что температура внутри параплана станет примерно как в закрытом салоне авто?

И за какое время произойдет нагрев этих 4 кВт при мощности источника 6 кВт? По аэродинамическим расчетам, параплан при допустимых для его конструкции изгибах, определенных арочностью, для горизонтального полета должен махать консолями с частотой 0.5-1 Гц. То есть успеет ли Солнце с его 6 кВт тепловой энергии нагреть 4 куба воздуха с 28 градусов до 50 градусов за 0.5 сек? Если да, то такой полет возможен.

В принципе, параплан можно сшить любого размера. Можно например с размахом 50 метров и хордой 2 м (правда высота строп до него будет тоже около 50 м). Тогда внутренний объем будет около 50*2*0.3=30 м3. И площадь поверхности 50*2=100 м2. Из них полезной, освещенной солнцем, около 50-70 м2. Это около 20-30 кВт тепловой энергии, ее точно должно хватить для махов.

Но автор топика кажется имеет ввиду другие солнечные коллекторы - в виде зеркал, фокусирующих солнечный свет в маленькую точку, например на тонкую трубку с рабочим телом. Тогда можно получить температуры в несколько сотен градусов (никто в детстве лупой не поджигал травинки? =)) и использовать пар, в который превратится вода в трубке, для привода любого обычного теплового двигателя типа стирлинга или парового. Ну, как бы идея имеет право на жизнь, хотя размер крыльев для получения мощности на валу двигателя хотя бы в несколько кВт (не забываем о кпд самих тепловых моторов) потребуется площадь крыла примерно как у мускулолетов. Но основная сложность - это сделать удачный всенаправленный фокусирующий коллектор. Если такое вообще возможно, промышленные зеркальные коллекторы как-то все используют отслеживание направления на солнце и принудительный поворот зеркал.
 
В идеале, обшивка полностью прозрачная, внутренности полностью поглощают свет и до лампочки откуда солнце светит. Махать можно не только всем крылом, не только законцовками, но и закрылками. У параплана надо подумать о пульсирующем выпуске воздуха из секций. Тема как таковая совершенно целинная.
 

Вложения

  • Bezymjannyjiolo.png
    Bezymjannyjiolo.png
    13,4 КБ · Просмотры: 136
Так как никто не ответил, то я немного погуглил и попытаюсь разобраться сам (могу ошибаться, поправьте если что).

При постоянном объеме увеличение давления газа пропорционально увеличению абсолютной температуры, то есть во сколько раз увеличилась абсолютная температура, во столько же раз выросло давление.

Если летом при температуре воздуха 28 градусов (абсолютная температура 273+28=301 К) воздух внутри крыла нагреется до 40 градусов (273+40=313 К), то давление в крыле увеличится в 313/301=1.04 раз. То есть было давление 1 атм, а стало 1.04 атм. Другими словами, внутри крыла из-за нагрева воздуха возникло избыточное давление 0.04 атм.

Чтобы совершить мах крылом за счет внутреннего давления, согнутое крыло должно выдерживать летную нагрузку, то есть держать свою изогнутую форму, а не переламываться как шланг. Другими словами, не должно терять устойчивость, если сравнивать с тонкостенной трубой.

Для надувной балки известна формула, связывающая диаметр балки, внутреннее давление и момент, при котором она переламывется (теряет устойчивость):

М = (3.14/16)*p*D^3, где

М - момент, при котором надувная балка переламывается, Н*м
p - избыточное давление внутри надувной балки, Па
D - диаметр надувной балки, м

1 атм это 101325 Па, поэтому наше избыточное давление p = 0.04 атм * 101325 = 4053 Па.

Размах параплана примерно 10 м, поэтому при взлетном весе 100 кг, на каждое полукрыло длиной 5 м посередине (на плече в 2.5 м) действует подъемная сила 500 Н (считаем распределение подъемной силы равномерным, для первого приближения сойдет). Это дает момент на каждом полукрыле М = 500 Н * 2.5 м = 1250 Н*м

Таким образом, надутое избыточным давлением 0.04 атм согнутое крыло параплана должно выдерживать момент М=1250 Н*м.

Представим крыло в виде ряда одинаковых надувных труб (тогда их моменты можно складывать) диаметром примерно средней толщины крыла, ~30 см. Тогда на средней хорде 2 м, таких труб вместится 2/0.3 = 7 штук.

Момент одной трубы с диаметром 0.3 м и давлением 0.04 атм:
М = (3.14/16)*p*D^3 = (3.14/16)*4053*0.3^3 = 21.5 Н*м

А у 7 труб будет, соответственно, 21.5*7=150.5 Н*м

Таким образом, параплан НЕ МОЖЕТ сделать мах консолью при нагреве от солнца до 40 градусов. Чтобы это произошло, нужно внутреннее давление увеличить в 10 раз, то есть нагреть от солнца воздух внутри крыла до 2627 градусов (~3000 К, 3000/300=10 раз). Это неосуществимо, поэтому второй вариант - увеличить диаметр надувных труб, среднюю толщину крыла сделать 0.61 м. Тогда ломающий момент будет 7*(3.14/16)*4053*0.6^3=1260 Н*м.

Но в этом случае внутренний объем параплана увеличится и составит примерно 0.61*10*2=12.2 м3.

Чтобы совершать мах таким крылом с частотой 1 Гц, нужно чтобы солнце успевало нагреть эти 12.2 м3 с начальной температуры окружащей среды 28 градусов до 40 градусов за 0.5 сек. Успеет? Это как-то должно быть связано с теплоемкостью воздуха и тепловой мощностью, я просто уже не помню школьный курс физики по этой теме. Ау, топикстартер, где формулы, что за манера подать идею и не предъявить никаких формул и хотя бы грубых расчетов.

После совершения маха нужно выпустить нагретый солнцем воздух и впустить свежую порцию внешнего холодного воздуха. Вот с этим нет проблем, парапланы летят со скоростью примерно 10 м/с. Это значит что если откроем большие воздухозаборники, то весь воздух внутри крыла обновится в идеальном случае за 1/5 секунды. То есть за 0.2 сек хорда 2 м пройдет расстояние в свою длину. Но так как воздухозаборники (клапаны) имеют некоторое гидросопротивление, то реально это займет где-то 0.5 сек, в худшем случае около 1 сек. Это подтверждает на практике скорость наполнения параплана при подъеме и после сложений, так что можно утверждать, что примерно за 0.5-1 сек реально скинуть нагретый воздух и заменить его внешним холодным. Хотя сделать большие по размеру герметичные клапана это та еще задачка.

Вся проблема, будет ли успевать солнце нагревать воздух внутри крыла за 0.5-1 сек, имея всего лишь около 6 кВт тепловой энергии. Если представить это как три электрочайника по 2 кВт, то имхо не успеет. Но топикстартеру карты в руки, кто начал тему и видимо должен неплохо разбираться во всех этих перепетиях с давлением/температурой газов?)

Если же не успеет, то эту падающую от солнца тепловую энергию в 6 кВт нужно использовать как-то иначе. Мощность-то приличная, вопрос в том как ее применить с пользой.

Что топикстартер хотел сказать-то, когда начинал эту ветку? На первой странице только какие-то общие рассуждения, из который абсолютно непонятно что автор имеет ввиду, какие предлагает варианты реализации?
 
Известные солнечные коллекторы дают Т за 200 гр.С. Недорогие воздушные коллекторы дают в среднем разницу в 50гр.С. Но это, как правило, с  однослойным покрытием. В своё время экспериментировал с железной стружкой под стеклом, очень эффективно по сравнению с ровной чёрной поверхностью.

DesertEagle

Попробуйте посчитать что будет, если у параплана нижняя и верхняя плоскости будут составлены из ПРОДОЛЬНЫХ баллонов.

В случае жёсткого крыла махолёта, напрашивается подкосный моноплан с переменной длиной подкоса. Т.е. на крыле или фюзеляже гофр или мембрана с соответствующим механизмом.

Будем считать, что автор организовал "мозговой штурм" на вполне интересную тему.

Из рационального здесь две цифры ~ 10% кпд солнечных панелей и ~35% практический кпд солнечных установок, а конкретно - стирлингов.
 
Вау, круто - сдешний народ я смотрю не пугается даже махолетов и надувных конструкций...  (просто недавно долго спорили с одним знакомым, а у него как оказалось даже авиационный диплом есть, так что я и не надеялся что кто-то будет пробовать сделать настолько крутую оптимизацию разработки...)
В общем я думаю махолеты и тп варианты можно обсудить в отдельной теме - а начать с препарирования этого канадского прикола с педалями и других конструкций...
(если честно я не до конца понимаю аэродинамику подобного волнового режима машущего полета, но сделать привод можно практически для чего угодно, если понять что именно нужно получить)


Что касается скорости нагрева - думаю не успеет, но это и не нужно - проще применить распределение(переключение) давления клапанами...  То есть компрессор гонит воздух в коллектор, а оттуда уже давление используется для привода компрессора и/или нагрузки...  Давление в принципе можно накачать хоть 10 ат в этом случае, кстати не редко тепловые движки делаются под давлением для повышения мощности...

Теплоемкость воздуха порядка 1 кДж на кг на градус, отсюда не сложно рассчитать все остальное, зная толщину(массу), тока надо еще учитывать что стенки тоже имеют какую-то теплоемкость...


Я думаю лучше использовать "тонкий" слой, такой может и успеет прогреться тк нет смысла терять КПД - энергия в коллекторе(если использовать этот режим переменного давления) 1 цикла должна быть примерно равна расходу энергии в нагрузке - иначе придеться выпускать в атмосферу в конце цикла много полезной энергии...


Там еще есть кое-какие грабли, не все так просто, скорее всего конструкцию придеться использовать немного другую(из-за теплоизоляции) - но я думаю все решаемо, если даже этот вариант вас не испугал...

Vladimir
PS  можно сделать "винтовую"(спираль) армировку эластичной трубы малорастягивающими нитями - в этом случае давление должно еще и немного крутить такой "цилиндр"...    (но это так мысли вслух - для начала надо разобраться какие движения надо получить для такого режима машущего полета)
 
В общем, с махолетами похоже имеет смысл поразбираться основательно - тут один ынтересный вариант вырисовывается...

Короче говоря, есть один старый очень эффективный(работает уже от нескольких градусов) тип двигателя, причем он даже довольно простой и дешевый...  Но из-за кое-каких своих проблем он не нашел широкого применения, хотя очень простой и дешевый...  Еще интереснее то что он в принципе может быть очень эффективным...

Ну дак вот, я тут прикинул - в общем, в комбинации с тряской от махолета получается очень крутая штука!   Там сразу не только все эти проблемы решаются(а КПД кстати даже растет тк можно будет применить другие материалы), но даже упрощается конструкция двигателя и растет эффективность...   А если удастся прикрутить регенератор(похоже что удастся) и резонансные режимы, то КПД легко можно получить более 90% от термодинамического, причем все легко делается "на коленке" без всякого хайтека из подручных материалов...
(а вот это уже может быть очень круто - я сразу начал эту тему по принципу что из сотен кВт даже при 1% КПД можно уже получить что-то полезное для практики, а если еще и КПД будет высоким, то тут уже становиться еще интереснее)
Кстати там и проблема всяких пневмоцилиндров и приводов тоже фактически решается сама собой - части конструкции делаются из материалов с различной упругостью в виде хитрого композита(но технологически это тоже не сложно - клеить всякие стеклопластики я так понимаю сдешнему народу не привыкать 🙂 ), так что при изменении давления конструкцию можно заставить двигаться как угодно, и не то что махать, но и плясать заставить можно 😉   Так что надо тока понять какие движения и приводы надо чтобы получить такой режим полета...


Так что предлагаю отделить мух от котлет - с махолетами разобраться в отдельной теме и более основательно, а тут слепим че-нить по-быстрому на турбинах, классика...
(я тут уже провел кое-какие эксперименты, не очень научно, но зато наглядно и практически 🙂  Чуть позже напишу что вырисовывается...)
 
Да, мне тут вот что подсказали - похоже потребуется помоч любителей истории авиации - не помните, что это было и где посмотреть чертежи этого чуда?..

===========
во время войны масляные радиатары истребителей оформляли в виде прямоточных ВРД. Хоть и немного, но добавлялась тяга.
...
Не помню - давно было. В журнале "Техника молодежи" показывали серии о самолетах, или в книге "С крыла на крыло" - автор летчик испытатель.То ли на ЯК, то ли Лавочкин... Но помню, потому что показалось интересным и даже принялся проверить, но потом бросил. Не ыло никаких шансов сделать что то на практике.
===========
 
Попробуйте посчитать что будет, если у параплана нижняя и верхняя плоскости будут составлены из ПРОДОЛЬНЫХ баллонов.
Баллоны расположить вдоль хорды и "махать" хвостом как рыба? В принципе, можно применить аналогичный подход и посчитать, но имхо закрылки и предкрылки неперспективны по определению, так как требуют огромную частоту махов (5-15 Гц), чтобы создавать необходимую для полета тягу. Трудноосуществимую на практике. Вспомните Болдырева с его предкрылком, он вообще один из вариантов планировал приводить напрямую от вала двигателя с частотой под 50 Гц (3000 об/мин).

Но еще важнее, насколько я знаю, веер даже в теории не может иметь пропульсивный кпд выше 50%. У Бодырева теоретическая высокая эффективность предкрылка до 80% вытягивалась исключительно за счет взаимодействия предкрылка с основным крылом. За счет его принудительного обдува. Но это сложный вопрос, я пробовал симулировать в CFD пакете предкрылок Болдырева, так у меня поток, генерируемый предкрылком, с крыла сразу же сорвался и нормального обдува не получилось! А у закрылка, очевидно, подтягивающая сила с основного крыла будет совсем мизерная, поэтому имхо это бесполезная затея. Единственная альтернатива пропеллеру - это птичий мах всем крылом. Тогда расчетный пропульсивный кпд получается от 0.5 до 0.8, в зависимости от режимов маха, размера крыльев, скорости полета и т.д.. То есть мощности это потребует примерно столько же, сколько требуют сейчас винтовые аппараты с аналогичной взлетной массой и скоростью полета. А потому прорабатывать конструкцию есть смысл.


В случае жёсткого крыла махолёта, напрашивается подкосный моноплан с переменной длиной подкоса. 
Ну да, с жестким крылом это наверно единственный вариант - заменить подкос на сокращающуюся пневмомышцу. Чтобы подкос не был слишком толстым (меньше 0.5 м в диаметре), можно начинать работать с давлениями где-то от 0.250 атм, как в надувной лодке. Это требует нагрева воздуха до 300 К * 1.25 = 375 К - 273 = 102 градуса Цельсия. Вроде реально... Но опять же, надо определиться что может дать солнце, какой расход воздуха и с какой температурой. Сами пневмомышцы могут иметь кпд от 20 до 80%, в зависимости от того как они устроены. Если это оплетка-сетка поверх надувной элестичной трубы, то кпд низкий, так как слои оплетки сильно трутся друг о друга при перемещении (изменении угла между отдельными перекрещивающимися нитями). А если мышца в виде гофра, который сокращается за счет увеличения диаметра отдельных секций, то кпд близок к 100%.

Пневмомышцы хороши тем, что позволяют работать с низкими давлениями и большим расходом воздуха. И относительно легкие по массе и простые в изготовлении. Под давления до 0.5 атм можно сшить и склеить из ткани, аналогичной лодочной. Но это еще зависит от диаметра баллона.

Если рассматривать "изменяющий свою длину подкос" как пневмоцилиндр, то его энергетические показатели считаются очень просто.

Развиваемое усилие пневмопоршнем равно

F = S*p, где
F - усилие в кг,
S - площадь поршня, см2,
p - давление в атм (кг/см2)

А мощность пневмопоршня это

P = F*v, где
P - мощность, Вт
F - сила, Ньютоны
v - скорость движения поршня, м/с

Пусть летит самолет/дельтаплан с крылом размахом 10 м и взлетной массой 100 кг (мотора ведь нет, поэтому легкий). На середине каждого полукрыла действует подъемная сила 50 кг.

Если подкос будет закреплен на середине крыла (на 2.5 м от корня, на 50% размаха) и высота трапеции 1.5 м, то чтобы сделать мах, из-за наклона подкоса на угол a, его нужно тянуть с силой F = 500 Н / sin(a) = 500 Н / sin(atan(1.5/2.5)) =  972 Н =~97 кг вместо 50 кг, которые были бы, если тянули бы вертикально вниз.

2a7019e6e758.jpg



Таким образом, такой пневмоцилиндр или пневмомышца для маха должны обеспечивать усилие F=100 кг.

При избыточном давлении 0.25 атм, площадь поршня должна быть S = F/p = 100 кг / 0.25 атм = 400 см2. Это диаметр поршня D = sqrt(S*4/3.14) = sqrt(400*4/3.14) = 22.6 см. Напомню, это в случае если солнце нагревает воздух внутри крыла до 100 градусов.

Будем считать, что дельтаплану для горизонтального полета нужна мощность 6 л.с. (4.4 кВт). Не вдаваясь в детали, примерно так и есть на практике. То есть на одном полукрыле нужна мощность 4.4/2=2.2 кВт.

Значит пневмоцилиндр такого диаметра для обеспечения этой мощности, должен двигаться со скоростью v=P/F = 2200 Вт / 1000 Н = 2.2 м/с.

Это дает изменение объема цилиндра диаметром 22.6 см: V = S*v = 400 см2 * 220 см/с = 88000 см3/с или 0.088 м3/c. Но так как у нас два полукрыла, то расход воздуха нужно умножить на два: 0.088*2=0.176 м3/с.

Таким образом, для полета дельтаплана с подкосами в виде пневмоцилиндров диаметром каждый 22 см и работающими от давления 0.25 атм, необходимо, чтобы солнце обеспечивало нагрев объема воздуха 0.176 м3 до температуры 100 градусов за время 1 сек. Возможно ли это? Если да, то такой дельтаплан полетит. В горизонте. Ну а для приемлимой скороподъемности около +1.5 м/с, цифру нужно еще умножить на два и получится мощность солнечного "двигателя" в 12 л.с., примерно как летающих дельтапланерных мотоподвесках.

Это мы посчитали примерный расход воздуха и необходимую его температуру исходя из аэродинамики и механики. Но можно решить и обратную задачу - имея источник теплого воздуха (объем, температуру и время нагрева), спроектировать привод (диаметр пневмоцилиндра, длину хода и скорость хода).

Все упирается в то, что мы можем получить от солнца с помощью солнечного коллектора - какой расход воздуха и с какой температурой (что будет пропорционально давлению сжатого воздуха). Автор топика видимо стесняется озвучить эти данные =), а без них приходится гадать на кофейной гуще.

Что касается пневмомышц, то независимо от их типа, изменение работы, совершаемой газом, будет dA = p*dV, где p - избыточное давление в пневмомышце, dV - изменение объема пневмомышцы. С другой стороны, совершаемая пневмомышцей работа по перемещению груза, равна dA = F*dx, где F - усилие, развиваемое пневмомышцей, dx - перемещение.

Из закона сохранения энергии dA=dA в обоих случаях, отсюда p*dV = F*dx, откуда получаем развиваемое пневмомышцей усилие F = p*dV/dx.

То есть зная внутреннее давленние, изменение объема пневмомышцы и длину ее хода, можем с достаточной точностью определить среднюю силу F, с которой она будет тянуть. Сокращение всех типов пневмомыщц примерно 20-30% (до 40%, но там усилие совсем уж падает низко).

Отсюда можно найти привод на базе пневмомышцы, по аналогии с пневмоцилиндром как мы сделали выше. Ориентируясь на ход сокращения пневмомышцы (30% ее длины) и развиваемое ею усилие F.
 
а начать с препарирования этого канадского прикола с педалями и других конструкций...
У этого канадского аппарата, как и у всех аналогичных мускулолетов, необходимая для полета мощность двигателя 300-500 Вт. Неважно, будет ли крутить педали человек, или это будет делать шуруповерт на батарейках. Причем в этом размере и скорости полета, кпд машущего движения примерно равен кпд пропеллера диаметром 3-4 м, которые обычно ставятся на такие мускулолеты с приводом от педалей (~80%). А тепловой энергии с крыльев такого размера (площадью около 40 м2), можно получить порядка 10 кВт, если считать от от солнечного света поглошается только 20%. Поэтому для перевода на солнечную энергию, этот ЛА не совсем подходящий кандидат ).

Достигается такая мизерная необходимая для полета мощность за счет очень низкого веса ЛА (30-40 кг) при огромной площади крыльев, что дает очень маленькую скорость полета 18-22 км/час при довольно высоком аэродинамическом качестве из-за большого удлинения. Цена за это - хлипкость конструкции, ломающейся от малейшего порыва ветра, и сложность/дороговизна изготовления.

если честно я не до конца понимаю аэродинамику подобного волнового режима машущего полета
Принцип машущего полета очень прост - на махе вниз угол атаки больше, поэтому черная стрелка полной аэродинамической сила больше по размеру, чем при махе вверх. Ее проекции дают тягу (красная стрелка) и подъемную силу (зеленая стрелка). Чтобы махолет летел, красные стрелки должны быть равными по размеру, а среднее значение между зелеными должно быть равно взлетному весу ЛА.

7ddfba88175a.jpg


Сложный для понимания момент - это то, что из-за вертикального движения крыла, набегающий воздух при махах дует на крыло не спереди как в обычном полете, а то поддувает немного снизу, то поддувает немного сверху. Поэтому все стрелки надо рисовать относительно волнообразной траектории движения профиля. На этом все ). Аккуратный учет всех стрелок на каждом сечении крыла, дает что для полета махолетам нужна такая же мощность двигателя, как для полета с пропеллером. Их пропульсивный кпд как движителей примерно равен. Ну, в некоторых случаях мощность махолета может быть примерно на треть меньше, если скорость полета мала, а крылья большие и медленно машут. Но это при очень высокооптимизированной аэродинамике.

То есть компрессор гонит воздух в коллектор, а оттуда уже давление используется для привода компрессора и/или нагрузки...
В чем смысл принудительно гнать воздух компрессором? Я так понимаю, это нужно только при концентрации солнечного света зеркалами на ограниченную площадку. Чтобы прокачать больше рабочего тела, когда солнечного тепла больше, чем можно снять естественным образом за счет конвекции. А так представляется просто закрытая емкость в крыле. Солнце нагревает воздух, давление повышается. Открываем клапан в пневмомышшцу/пневмоцилиндр, сжатый воздух поступает в нее и совершает работу (да, охлаждаясь при этом при расширении, поэтому в крыле должен быть запас объема, чтобы это падение давления в пневмоцилиндре было не слишком большим).

Закрываем клапан в пневмомышцу и стравливаем из нее с другого конца остатки воздуха с избыточным давлением в атмосферу. А что в это время происходит в крыле? Мы ведь из него часть воздуха спустили в пневмомышцу. Что осталось в крыле? Нужно туда впускать извне воздух для компенсации потерянного, или он охладится до уровня окружающей среды и не впустит ничего в объем крыла? Но тогда вообще ничего непонятно, какой-то компенсаторный механизм утраченному воздуху ведь должен существовать.

В общем, если не сложно, объясняйте свои идеи так, чтобы было понятно тем, кто с этим никогда не сталкивался. А то гамма, адиабата, изохора... Некоторые таких слов лет по 20 лет не слышали, а вы хотите от них услышать конструктивные комментарии =).

Если же предлагаете использовать нагретый солнцем воздух в качестве реактивной струи, то давайте - какая будет тяга, при какой температуре и каком расходе воздуха? Если нагретым воздухом крутить турбину, а она чтобы вращала внешним контуром (через редуктор) воздушный винт, то опять же - что за турбина, какие обороты, каков кпд преобразования и т.д. А с аэродинамикой и деталями конструкции тут помогут. Пока я так и не понял, что вы хотите всем этим сказать, нет исходных данных.
 
Баллоны расположить вдоль хорды и "махать" хвостом как рыба? 
Неправильно поняли, крыло параплана должно менять радиус дуги, т.е. складываться и раскладываться как крылья голубя на взлёте.
 
Назад
Вверх