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.
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.
