Ротор вместо несущего винта. Его перспективы

Откуда
тверь
                                                 Ротор вместо несущего винта. Его перспективы.
Ротор (будем так называть несущий лопастной винт, где его лопасти объединены ободом) применялся в качестве движителя в одной из опытных конструкций тех странных немецких дисколетов времен второй мировой войны. Тогда еще не было ни вертолетов, ни современных материалов, так почему бы не использовать его в настоящее время? И дело не только в безопасности — ведь такой ротор не заденет лопастью за провода, лопасть не выпадет из конуса вращения и т.д. Представим обод в виде плоского кольца, имеющего в сечении аэродинамический профиль (кольцевое крыло); тогда, вероятно, не появятся вихри на концах лопастей, а за счет радиальных потоков воздуха, омывающих кольцевое крыло, увеличится и подъемная сила. Разумеется, ориентацию оси конуса вращения можно менять под действием управляющих воздействий со стороны автомата перекоса. Имеются и более серьезные причины использовать ротор.
Вертолет - прекрасная машина, но у него есть критические недостатки, связанные с несущим винтом. В полете вертолет держится на лопастях, растянутых центробежными силами (их величина есть осевая нагрузка, деленная на синус угла при конусе вращения винта), следовательно масса лопасти (и ее длина также) не может быть менее некоторой величины; с другой стороны она не должна превышать величину, при которой лопасть (консоль) свешивается до земли или разрушается у основания при приземлении и останове винта. Поэтому максимальная осевая нагрузка вертолета ограничена равенством этих условий.
А вот если использовать ротор по типу велосипедного колеса, где в основу лопастей положены продольные элементы, набор которых создает в поперечном сечении необходимый профиль крыла, то масса лопасти не будет иметь значения, а продольные элементы в полете под действие веса вертолета будут растянуты силой, эквивалентной указанной выше центрообежной силе. Следовательно материалом основы лопасти должен являться таковой, имеющий наилучшие свойства на разрыв. На сегодняшний день - это карбоволоконные нити - карбон. Причем в лопасти, состоящей из продольных элементов, покрытых упругой оболочкой, либо являющейся набором нежестко связанных одномерных элементов (плетение, ткань), любые динамические нагрузки трансформируются исключительно в силы растяжения.
У карбоновой нити прочность на разрыв достигает 4.5 МПа, удельный вес около 1.7 г/см^3, так что при большом запасе прочности вес лопасти из карбоновой ткани, например, для МИ-8 составил бы 10-15 кг, т.е в 10 раз меньше. Лопасть-парус — почти полная аналогия с парусом, т.к. собственно центробежные силы, действующие на легкие лопасти незначительны. Такая лопасть-парус, при вращении растянутая между профилеобразующими линиями крепления на втулке и ободе значительными силами (а в случае МИ-8 это 30 тонн), приобретает необходимую форму и жесткость. Причем очень тонкий профиль лопасти намного уменьшает коэффициент ее лобового сопротивления и турбулизацию воздуха за ней, так что количество лопастей может быть большим. Очевидно, что для стабилизации положения обода в горизонтальной плоскости следует лопасти размещать на втулке поочередно выше-ниже горизонта. Возможно, лопасть-парус слишком радикальное решение, пусть они будут традиционными, но вышесказанное остается справедливым.
Более того, на внешней поверхности обода ротора можно устанавить лопатки активного типа и раскручивать ротор газовой струей турбореактивного двигателя (ТРД) и таким образом (наконец-то!) избавиться от редуктора. Преобразование кинетической энергии струи здесь будет вполне эффективным, т.к. окружная скорость обода ротора примерно равна 1/2 скорости струи, что как раз и является оптимальным. Причем здесь ТРД легче и имеет меньшие габариты, чем в обычном вертолете, т.к. в нем отсутствуют низконапорные ступени турбины. Для легкого аппарата подошли бы ТРД от беспилотника, необходимо только применить сопло необходимой конфигурации.
В частности, такое решение приводит к изящной конструкции самолета с вертикальным взлетом-посадкой, см. https://yadi.sk/i/9UXJBdjncUsdeA , где вертикальная тяга (два соосных ротора) или горизонтальная тяга определяются простым переключением направления газовой струи ТРД. (Сравните с американским конвертопланом Osprey).
Для собственно вертолета техническим решением может быть ротор и два или более ТРД на внешней кольцевой подвеске, свободно вращающиеся в противоположных направлениях на общей оси со скоростями, обратно пропорциональными их массам, см. https://yadi.sk/i/M5BYk7m4LL1GVg . Причем сама подвеска может быть выполнена в виде полого кольцевого крыла и вмещать в себя топливные баки. Грузопассажирский отсек целесообразно подвесить на той же общей оси на шарнире или кардане, что обеспечит его стабильное положение и комфорт пассажирам. Очевидно, что в такой схеме управление ТРД и механизмом перекоса должно быть дистанционным. Дополнительные органы управления — по выбору.
В заключение. Некоторые официальные лица ознакомлены с данным материалом, но поскольку ответов от них не получено, надо полагать, что вышеизложенное есть давно забытое старое, не давшее положительного результата. Но, возможно, кому-то из любителей оно даст пищу для размышлений.
 

Кацманафт

Я люблю строить самолеты!
Своим "ротором" Вы "убьете естество вертолета"....то бишь Приятный Звук приближающегося Зверя !..А .Звук  "Василисы"  -просто Пестня!!!!... :~)
 

vert

Я строю вертолеты!
Откуда
Южный Урал
Разумеется, ориентацию оси конуса вращения можно менять под действием управляющих воздействий со стороны автомата перекоса.
Т.е. каждая лопасть имеет осевой шарнир и шарнир в ободе, и проворачивается от автомата-перекоса? Или весь этот гироскоп на оси будет поворачиваться? :eek:
Вращающееся кольцо (обод) на концах лопастей дает большой  проигрыш из-за своего сопротивления и веса и применяется только на модельках для защиты лопастей при ударе об стенку.
 
Откуда
тверь
vert  Сегодня :: 11:23:13
...применяется только на модельках...
А были когда-либо такие испытания и изучение на серьезном уровне? Эксперименты, отчеты, анализ?
Для нежесткой лопасти достаточно шарнира у ее основания,  у обода установить минимальный угол.
 
Представим обод в виде плоского кольца, имеющего в сечении аэродинамический профиль (кольцевое крыло); тогда, вероятно, не появятся вихри на концах лопастей,
Но это же не самаль... Под каким углом это плоское кольцо будет расположено к набегающему потоку при горизонтальном полёте вертолёта, и какой создаст момент и сопротивление?! Оно вгонит вертолёт в землю... 
 
Откуда
тверь
Sikorsky Cypher, судя по изображению - беспилотник с винтом в кольце. У вертолета на фото Ответ #6 обод явно предназначен для безопасности и мех. прочности винта.
Да, обод утежеляет конструкцию и увеличивает сопротивление (долю на трение в коэффициенте лоб. сопротивления), но сами лопасти могут быть тоньше, легче и иметь меньшее аэродин. сопротивление.
Фланкер Сегодня :: 18:43:56
Под каким углом это плоское кольцо будет расположено к набегающему потоку при горизонтальном полёте вертолёта...
Если в сечении кольцо не пластина, а аэродин. профиль, то коэффициент подъемной силы является положительным вплоть до углов атаки -5...-7 градусов  в зависимости от изгиба профиля - следствие циркуляции. Кроме того, можно полагать, что вращение такого кольца даст дополнительную подъемную силу.
 
Фланкер Сегодня :: 18:43:56 Цитата:
Под каким углом это плоское кольцо будет расположено к набегающему потоку при горизонтальном полёте вертолёта...

Если в сечении кольцо не пластина, а аэродин. профиль, то коэффициент подъемной силы является положительным вплоть до углов атаки -5...-7 градусовв зависимости от изгиба профиля - следствие циркуляции. Кроме того, можно полагать, что вращение такого кольца даст дополнительную подъемную силу.
Оно то да... Но разве это не критично в практическом применении, разве этот угол часто не превышается, особенно при маневрировании и интенсивном разгоне?
 
Откуда
тверь
Фланкер Вчера :: 21:55:05
...разве этот угол часто не превышается, особенно при маневрировании и интенсивном разгоне?
При большем крене -  большое лобовое сопротивление несущего винта, малая площадь обода не будет иметь существенного влияния. Но, если и применять кольцевое крыло в виде обода или неподвижное, то зачем им "бодать" воздух? Надо использовать преимущества ротора: неограниченная осевая нагрузка, тонкая лопасть, дополнительная подъемная сила (см. исх.текст). Т.е. строить вертолет огромной грузоподъемности с большим количеством лопастей меньшего диаметра, в основном для перемещения по горизонтали при помощи дополнительных двух разнесенных двигателей, их же использовать для маневра и компенсации реактивного момента (при одном несущем роторе). Здесь огромное поле уже для фантазии проектировщиков.
 
@ kroolov, конечно, перспективы предложенной Вами темы, зависят и от назначения конкретного вертолёта: лёгкий разведчик - ударник, летающий кран, или воздушный экспресс.

С другой стороны (от обратного) - вряд ли эта тема осталась без внимания серьёзных фирм и энтузиастов, и пока никто не применяет, видимо есть причины.

На форуме не удастся дать точную и обоснованную оценку прикладной перспективе этого предложения - тема не простая и не однозначная.

Было бы неплохо для начала создать большую радио - модель, даже на базе продаваемых моделей вертолётов, и провести испытания в разных вариациях, а результаты уже анализировать. Это был бы оптимальный вариант. Вопрос лишь в том, насколько Вам это нужно...
 
Откуда
тверь
Ув. Фланкер   Мне, собственно, в силу рода занятий да и возраста это уже не нужно, хотя, было дело, еще в советское время пытались построить вертолет. Поместить материал (для расширения кругозора) подтолкнуло знакомство со статьями неких Павловых (отца и сына), где ярко описываются недостатки вертолета и, в частности, необходимость создания летательного аппарата для доставки тяжелых грузов в труднодоступные районы. Они запатентовали и предлагают (вроде Казанский ин-ут) аппарат с дисковым крылом и убирающимися в него гибкими лопастями. Есть модель. Но малая модель и в частности и вообще не поможет, т. к. нет линейности в критериях подобия. Что касается испытаний изложенного в сообщении (раскрутка турбиной ротора и пр.), то если где и испытывали, то скорее всего те же немцы. А так, да, надо заинтересованным лицам обращаться в заинтересованные организации.
 
Вверх