Новые космические технологии - [6]

Глава 2 Крыло в замкнутом потоке

Рассмотрим простое крыло, имеющее профиль Жуковского – Чаплыгина, который впервые был предложен в 1910 году. До этого изобретения, крылья самолетов делали плоскими, а подъемная сила возникала за счет угла наклона крыла, простым реактивным отражением набегающего потока воздуха.

Подъемная сила крыла, имеющего профиль Жуковского – Чаплыгина, обусловлена разностью давления среды на крыло сверху и снизу, поскольку давление зависит от относительной скорости движения крыла и среды. На рис. 6 показано, что верхнюю поверхность крыла поток среды обтекает по большему пути, чем нижнюю.

Рис. 6. Эффект подъемной силы крыла

Поток стремится сохранять свою целостность, поэтому, его скорость относительно верхней выпуклой поверхности крыла выше, чем относительная скорость вдоль плоской нижней поверхности крыла. Разность давления среды на крыло (градиент) поднимает крыло вверх (вытесняет в сторону меньшего давления среды).

Не играет роли, движется ли крыло в среде, или поток среды (воздуха, воды и т. п.) обтекает крыло. Можно сказать, что здесь «работает геометрия»: путь относительного движения среды по верхней поверхности крыла больше, чем по нижней. Данная система не является реактивной, поэтому ее применение в движителях замкнутого цикла представляется весьма перспективным.

На рис. 6 (справа) показано, что крыло, установленное внутри аэродинамической трубы на упругих амортизаторах, демонстрирует наличие подъемной силы при продувании трубы. При этом, на весь корпус трубы действует вертикальная сила.

Предположим, что мы создали циркулирующий поток среды (газ или жидкость) в замкнутом корпусе, похожем на бублик (тороид). Поставим внутри потока несколько крыльев, радиально, как показано на рис. 7.

Рис. 7. Крыло в замкнутом потоке среды

Мы получим простое решение, которое может быть проверено экспериментально, и иметь перспективы внедрения в аэрокосмической технике. Некоторые технические проблемы есть, но они решаются. Например, проходя в области крыла, линейный поток среды меняется, и в нем возникают турбулентности. Для выравнивания потока, позади крыла необходимо устанавливать плоские или трубчатые элементы (ламинаризаторы). Величина подъемной силы зависит от скорости движения потока относительно крыла, хотя ее направление, в данном случае, будет неизменным. Величину силы можно регулировать. Разумеется, замедление или ускорение циркулирующего потока среды потребует расхода энергии насоса, вентилятора или другого привода движения потока среды. Далее, мы рассмотрим аналогичную перспективную схему, более экономную, с точки зрения энергетики, чем крыло, находящееся в замкнутом потоке среды.

Глава 3 Эффект Магнуса и сила Лоренца

Аналогично крылу Жуковского – Чаплыгина, сила Магнуса возникает за счет разности давления потока среды на поверхность вращающегося цилиндра. Данный эффект был открыт немецким ученым Г. Г. Магнусом (H. G. Magnus) в 1852 году. На рис. 8 показана схема сложения векторов скоростей потока среды и поверхности вращающегося цилиндра.

Рис. 8. Эффект Магнуса для вращающегося цилиндра

В верхней части цилиндра (вид с торца), направление движения потока среды и поверхности вращающегося цилиндра совпадают, а в нижней части цилиндра, его поверхность движется навстречу потоку среды. Поскольку поток в нижней части вращающегося цилиндра тормозится его поверхностью, движущейся навстречу потоку, то динамическое давление потока уменьшается, а увеличивается статическое давление среды на поверхность, в соответствии с законом Бернулли о полном давлении потока. В результате, давление среды на верхнюю часть вращающегося цилиндра становится меньше, чем на нижнюю часть цилиндра. Возникает подъемная сила, как и при эффекте крыла, имеющего профиль Жуковского – Чаплыгина.

Эффект Магнуса хорошо известен футболистам и теннисистам, который используют его для создания криволинейной траектории полета закрученного мяча. При «крученом ударе», мяч летит прямолинейно, но вращается вокруг своей оси. В полете, на него набегает поток воздуха, что создает эффект Магнуса, и траектория полета искривляется. В результате такого удара, мяч летит по кривой, и попадает не туда, где его ждут…

Предположим, что мы сконструировали замкнутый поток движущейся среды (воздуха, воды и т. п.), в котором поставлены несколько вращающихся цилиндров, как показано на рис. 9. Допустим, что вращение каждого цилиндра обеспечивает независимый электропривод, с регулируемой скоростью и направлением вращения.

Рис. 9. Движитель на основе эффекта Магнуса

В отличие от конструкции с крылом, установленным в потоке движущейся среды, данная схема имеет важное преимущество: величину и направление осевой подъемной силы, можно менять за счет изменений величины скорости и направления вращения цилиндров. Скорость и направление циркулирующего потока можно не менять, что дает значительные преимущества по быстродействию и маневренности данного транспортного средства. Движитель данного типа может быть установлен вертикально или горизонтально, создавая силу тяги.

Интересная аналогия с эффектом Магнуса возникает при рассмотрении электромагнитного явления, известного, как сила Лоренца: на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, в направлении, показанном на рис. 10. О причине появления данной силы, ранее не было однозначного объяснения. Предполагая аналогии с эффектом Магнуса, можно трактовать силу Лоренца, как результат градиента давления эфирной среды. В докладе [1] это было впервые показано, 1996 год.