?

Log in

No account? Create an account

Махолеты Киселева Валентина Афанасьевича, профессора, лауреата Государственной премии

Модели махолетов Киселёва Валентина. Видеозапись в полёте.
махолеты киселева; махолёты киселева; ма
marya_dusheved

Валентин Киселёв. "Почему самолёты не машут крыльями?" Журнал "Техника - Молодежи" - 09/2015 г.
махолеты киселева; махолёты киселева; ма
marya_dusheved
Обложка ТМ.jpg
http://technicamolodezhi.ru/magazin/2015/TekhnikaMolodyezhi_2015_09

МАЩУЩИЙ ПОЛЁТ: «НАЗАД В БУДУЩЕЕ»
Почему «в будущее» - об этом в статье. Почему «назад»? Потому что машущий полет – самая древняя мечта Человека летать. Столетиями Человек мечтал взлететь, взмахнув крылом. Ведь в природе он видел только машущий полёт птиц, насекомых, летучих мышей… Но этот простой на первый взгляд вид полёта оказался чрезвычайно сложным и прежде всего тем, что машущее крыло - это одновременно источник и подъёмной силы и тяги. Как известно, успехи в создании первых летательных аппаратов (ЛА) были достигнуты путём упрощения машущего полёта. Сначала Человек заимствовал единственный его режим - планирование, ведь птицы не всегда машут крыльями, они часто планируют с неподвижным крылом. Следующим шагом стал — самостоятельный взлёт. Для этого пришлось снабдить планер движителем — пропеллером. С той поры прошло уже более ста лет, а самолёт с неподвижным крылом и дополнительным движителем (сейчас его роль стала выполнять струя газов из сопла реактивного двигателя) так «понравился» человечеству, что очевидная примитивность такого решения не замечается современными учёными, наоборот, примитивным для них уже начал казаться машущий полёт. Тут, мне кажется, уместно вспомнить интересный исторический факт: когда А.Ф.Можайский впервые представил государственной комиссии проект своего самолёта, его отклонили по причине того, что летательный аппарат не махал крылом. Нынешние чиновники от науки, отвергающие в принципе аппараты с машущим крылом, не далеко ушли от своих коллег
XIX в., по сути они солидарны с ними, выступая против одного и того же — против нового, необычного, им непонятного…

ТРИ ВИДА АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОЛЁТА
Существуют три вида аэродинамического полёта (это полет за счет динамического взаимодействия несущей поверхности и воздуха) и три типа летательных аппаратов, им соответствующих:
1. Самолёт. Это ЛА с неподвижным крылом, обтекаемым потоком воздуха с потребной скоростью. Для достижения этого обтекания самолёту требуется разбег, то есть длинная взлётно-посадочная полоса (ВПП), достигающая, например, для современных пассажирских лайнеров нескольких километров.
2. Вертолёт. Чтобы избавиться от недостатков самолётов, был создан винтокрылый ЛА с несущим винтом, благодаря которому он способен осуществлять вертикальный взлёт и посадку, а также висеть на месте. Но идеальный на этих режимах вертолёт чрезвычайно неэффективен в горизонтальном полёте, из-за низкого аэродинамического качества (половина лопастей ротора движется против направления полёта, половина — по направлению полёта; требуется большая скорость вращения лопастей, что создаёт большое аэродинамическое сопротивление). В результате максимальные скорости винтокрылых машин низки — 250-300км/ч, велики расходы топлива и мала дальность… Но безаэродромное базирование делает вертолёты в ряде случаев незаменимыми.
3. Махолёт. Машущий полёт из-за своей сложности до сих пор не освоен человеком, но широко представлен в природе. Машущекрылые ЛА обещают сочетать в себе достоинства как вертолётов (вертикальный взлёт и посадка), так и самолётов (высокоэффективный крейсерский полёт с большим аэродинамическим качеством и скоростью).
илл вал аф.jpg

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Кроме сочетания преимуществ разных видов ЛА, махолёт имеет свои, только ему присущие свойства. Проведённые нами исследования машущего крыла на стендах дали интересные результаты. Предварительные расчёты не внушали оптимизма: слишком большими оказывались частоты махания для создания потребных аэродинамических сил, огромными были и инерционные нагрузки, возникающие при этом. Кроме того выяснилось, что электродвигатель, приводящий в движение крылья на тензометрическом стенде, не в состоянии довести частоту махов до расчётных значений, но… несмотря на это, создаваемые этим «медленным» крылом аэродинамические силы не только не ниже, но даже превышают расчётные величины! Чтобы подтвердить этот парадокс, требовался более «чистый» эксперимент. Была создана специальная установка в аэродинамической трубе, позволяющая быстро (почти мгновенно) вводить крыло в поток. Результат подтвердился: сначала аэродинамические силы резко возрастали, а затем убывали до момента установления стационарного обтекания (фиг.1). Объясняется этот эффект нестационарностью процессов обтекания машущего крыла, когда благодаря значительным положительным ускорениям оно как бы вовлекает в движение большие присоединённые массы воздуха. В популярной литературе часто упоминается майский жук, который «по законам аэродинамики летать не может». Здесь следовало бы уточнить: «по законам стационарной аэродинамики». Совершенно очевидно, что машущее крыло позволяет использовать эффект нестационарности для улучшения взлётно-посадочных характеристик вплоть до достижения вертикального взлёта и посадки. В этом главное преимущество будущих махолётов перед самолётами. Второй важный вывод из обнаруженного явления состоит в том, что если благодаря нестационарности потребные скорости маха снижаются, то соответственно убывают и инерционные нагрузки, действующие на крыло. Аэродинамические и инерционные силы, нагружающие крыло, не складываются, так как возникают в разное время и при разных положениях крыла. Инерционные — максимальны в его крайних положениях, а аэродинамические — ближе к средним положениям, когда скорость движения крыла максимальна. Отсюда следует важнейший вывод: аэродинамические нагрузки, как правило, больше инерционных и именно полезные аэродинамические нагрузки определяют прочность и вес крыла. В результате отпадают многие опасения о неизбежности разрушения машущего крыла от огромных инерционных сил. Конечно, это не принижает проблемы обеспечения усталостной прочности таких аппаратов (присущей всем типам ЛА), но, в то же время, важность описанного эффекта состоит в том, что на развитие машущекрылых аппаратов можно смотреть с оптимизмом. Для исследования горизонтального полёта был спроектирован ротативный стенд, показанный на фиг. 1А.

МАХОЛЁТ ПРОТИВ САМОЛЁТА ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЗЛЁТА И ПОСАДКИ
По сравнению с современными самолётами вертикального взлёта и посадки махолёт более эффективен, так как на взлётно-посадочных режимах его крыло отбрасывает вниз максимальные массы холодного воздуха с наименьшими потребными скоростями благодаря большой ометаемой крылом площади. Это снижает потребную для взлёта мощность. Машущее крыло—единственная несущая система, работающая как на взлётно-посадочных режимах, так и в горизонтальном полёте. Эта особенность позволяет уменьшить вес конструкции машущек
рылого ЛА по сравнению с самолётами вертикального взлёта, у которых при взлете и посадке крыло не используется. Следует отметить, что у махолёта отбрасываемый вниз воздух имеет низкую скорость и температуру, за счёт чего не повреждает ВПП и, что обеспечит действительную безаэродромность таких ЛА. Кроме того, машущекрылые ЛА обладают только им присущим замечательным свойством – они малошумны (как птицы). Машущее крыло работает с низкой инфразвуковой частотой, на порядок меньшей, чем скорость вращения лопастей вертолета или пропеллера самолета, и не создает присущего им шума вращения, не поддающегося глушению. Поэтому махолеты смогут летать и базироваться в черте города без экологических проблем. При разбеге классического самолёта его двигатель должен создавать такую тягу, которая позволит преодолеть сопротивление крыла, фюзеляжа, оперения, шасси… Причём сопротивление крыла составляет половину (а нередко и больше) суммарного сопротивления ЛА из-за выпущенной механизации (закрылки, предкрылки) и больших углов атаки при взлёте. У махолёта крыло создаёт не сопротивление, а тягу, поэтому ускорение при разбеге максимальное, взлёт укорачивается, а потребная тяга сокращается (ведь сопротивление вдвое меньше, чем у самолёта). Из-за этого все машущекрылые машины, как минимум, имеют короткий разбег. Скорость махолёта примерно вдвое превышает скорость сравнимого по размерам вертолёта. Наконец, для достижения больших скоростей полёта машущее крыло можно без проблем зафиксировать после взлёта, превратив махолёт в скоростной самолёт (Патент № 2014247 от 07.02.1990г.). Отмечу, что подобные системы уборки несущих лопастей или преобразования их в крылья для вертолётов оказались настолько сложны, что до сих пор не нашли применения. Нами выполнен проект делового махолёта (фиг. 2) массой 5600 кг, перевозящего 10 пассажиров на 1000 км (5 пассажиров на 1800 км). Вертикальный взлёт и посадку он может производить при тяговооруженности (отношение стартовой тяги двигателей к взлётному весу), равной 0,48, за счёт использования машущего крыла. При этом гидропривод крыла потребляет всю мощность двигателей. Горизонтальный машущий полёт соответствует скорости 450—500 км/ч. При фиксации машущего крыла и полёте по-самолётному скорость возрастает до 800 км/ч. Не представляется конструктивно сложным изменение (увеличение) в полёте стреловидности крыла и достижения ещё больших скоростей. Тысячи людей и самолетов погибли из-за попадания самолетов в штопор. А кто-нибудь видел штопорящую птицу? Нет. Первый же взмах крыла обеспечит выход из штопора, из любого срыва потока. Судите сами, какой ЛА более примитивный…


ПРОБЛЕМЫ МАШУЩЕГО ПОЛЕТА
Наши исследования начались в 1977г. благодаря поддержке выдающегося советского государственного деятеля в области промышленности и техники Д.Ф. Устинова. Были созданы различные испытательные стенды, проведены теоретические расчёты, изучены закономерности машущего полёта. Мои доклады по тематике работ в различных НИИ и организациях всегда оценивались положительно. Например, комиссия аэродинамических отделений ЦАГИ отмечала, что «многие результаты получены впервые в мировой практике», и рекомендовала «использовать их при дальнейших исследованиях проблем машущего полёта и аппаратов такого типа». В то же время руководители ЦАГИ дезинформировали Министерство авиационной промышленности (куда я обращался с предложениями), заявляя о бесперспективности этого направления. После кончины Д.Ф. Устинова и до сего дня нам не удаётся найти ответственного чиновника, заботящегося об интересах государства. В результате потеряно более 30 лет, в течение которых страна могла монопольно владеть уникальной технологией и выпускать новые ЛА. В 1981г. на основе созданных методик проектирования были построены и 5 ноября впервые продемонстрированы прессе модели махолётов, о чем 6 ноября 1981г. сообщалось в газетах «Комсомольская правда», «Труд», «Московский комсомолец», а затем во многих газетах и журналах в нашей стране и за рубежом (фиг. 3). В дальнейшем были построены и демонстрировались различные радиоуправляемые модели весом около 10 кг (фиг. 4). Однако целью наших работ было получение данных, необходимых для создания больших машущекрылых ЛА различного назначения, проекты которых к настоящему времени нами разработаны. Сложность машущего полёта требует от создателя махолёта глубоких знаний в области аэродинамики, прочности, конструирования, материалов, управления, вибраций, технологии и др. Однако за постройку машущекрылых машин, как правило, берутся люди некомпетентные. Этим-то и объясняются ставшие традиционными неудачи, а также дискредитация всей темы.
Начнём с энергетики. Машущий полёт весьма экономичный. Аэродинамическое качество махолёта сравнимо с самолётным. Конструктивные же сложности связаны, прежде всего, с огромными силами, требующимися для привода машущего крыла. Изобретатели-самоучки ликуют, глядя как легко машет крыльями их детище на стояке или при разбеге, а потом недоумевают — почему же оно не летит. Да потому что как только махолёт отрывается от земли, нагрузки на крыло многократно возрастают, мощности мотора не хватает, частота махов резко падает, двигатель глохнет, трансмиссия ломается… Чтобы иметь представление о потребных для машущего полёта силах, приведу в пример гимнаста, делающего «крест» на кольцах. Представьте себе, что он не просто висит на вытянутых в сторону руках, а ещё и делает ими взмахи, поднимая и опуская при этом всё тело, хотя махать руками стоя на земле может каждый из нас. Иными словами, махолёт должен обладать энергетической установкой и прочностью крыла, которые позволят ему не только висеть на крыльях, опираясь на воздух, но и поднимать при махах на крыльях весь свой вес. Возвращаясь к гимнасту на кольцах, отметим, что вися на разведённых руках, поднимать и опускать своё тело сможет далеко не каждый спортсмен, о неподготовленном же человеке и говорить нечего. А вот птицы свободно это делают, махая крылом в полёте, потому что они многократно сильнее нас. Мышцы, опускающие крыло, по весу составляют примерно треть всего веса птицы! (Этот пример относится только к приводу машущего крыла руками человека. Не следует понимать, что я «ставлю крест» на проблеме мускульного махолета. У человека есть еще и ноги, которые значительно сильнее рук, и главное - голова. Вместе взятое это оставляет надежду на возможность успеха мускульного привода… Если бы кто-то взял на себя решение организационно-финансовых проблем, то я бы даже согласился участвовать в конструировании такого аппарата).
Создатели махолётов должны обеспечить именно такие силы привода крыла. Но это не приводит к увеличению потребной для полёта мощности, потому что мощность зависит от произведения силы на квадрат скорости махания, а скорость эта не велика, она редуцируется, и это снижение (тем более в квадрате) уменьшает мощность. Двигатели же внутреннего сгорания и электрические моторы развивают наибольшую мощность на максимальных оборотах, измеряемых многими тысячами в минуту. Эту скорость надо преобразовать в сравнительно медленные махи частотой около 2 герц. Значит, требуются сложные, многоступенчатые редукторы с редукцией в районе ста и больше. Это усложняет и утяжеляет конструкцию, но из такой ситуации есть выход. Например, можно вспомнить о низкооборотистом паровом двигателе, но более перспективным видится применение в качестве исполнительного механизма в системах машущего крыла и управления махолёта гидропривода. Кстати, такой привод управления обеспечит машущекрылым машинам исключительную маневренность (как у птиц), потому что управляющей поверхностью станет всё крыло. Важное достоинство гидропривода заключается в том, что он не требует тяжёлого редуктора. В ОКБ П.О. Сухого проработан проект гидропривода крыла нашего махолёта. Мы считаем, что гидравлика — это основной технологический путь развития для будущих машущекрылых аппаратов. Она обеспечит решение целого ряда проблем, например связанных с колебаниями и вибрациями ЛА в полёте. Колебания летательного аппарата связаны с соотношением его собственных и возмущающих колебаний. Возмущающие колебания махолёта определяются частотой маха крыла. Как известно, амплитуды колебаний наибольшие, если частота возмущающих колебаний меньше собственных; при их совпадении возникает резонанс с максимальными амплитудами колебаний ЛА. Если же частоты возмущающих колебаний (маха крыла) выше собственных, то они слабо воздействуют на аппарат, колебания которого малы, они как бы «не проходят»… На этом основаны многие способы борьбы с вибрациями. Например, человек стоит на днище катера, вибрирующего при скоростном движении по мелкой волне. Неприятные вибрации передаются на тело человека. Но стоит ему сесть на мягкое, подпружиненное кресло, как вибрации перестают передаваться на его тело, ведь сидение с пружинами снизило собственные частоты системы «тело - кресло», и более высокие возмущающие частоты перестали воздействовать. Отметим, что большинство птиц, желая отправиться в полёт, сразу начинают махать крыльями с частотой, большей собственной, минуя резонансные колебания. Тем не менее, при определённых соотношениях частоты маха и размеров ЛА невозможно сделать так, чтобы собственные частоты были бы меньше возмущающих. Машущее крыло создаёт силы, изменяющиеся в течение периода маха, что приводит к колебаниям аппарата, траектория полёта приобретает синусоидальный вид. Однако и в этом случае возможно выравнивание траектории и аэродинамической силы машущего крыла. Основное движение крыла — мах вниз, когда создаются и подъёмная сила и тяга. При взмахе крыла вверх возможны три варианта:

1. Крыло создаёт тягу и отрицательную подъёмную силу (вниз); это режим тяги, он выгоден при разбеге аппарата.
2. Крыло создаёт подъёмную силу (значительно меньшую, чем при махе вниз) и сопротивление.
3. Флюгерный режим — нулевая подъёмная сила и минимальное (профильное) сопротивление.

Влиять на соотношение создаваемых сил можно за счёт изменения скорости движения крыла и углов атаки. Наилучшим образом это возможно при применении гидропривода крыла и его компьютерного управления. В этом случае, в горизонтальном полёте можно добиться постоянства подъёмной силы (за счёт её снижения при махе крыла вниз и увеличения при взмахе вверх). Ну а наиболее «простой» способ спрямления траектории полёта и выравнивания подъёмной силы состоит в применении двух тандемно расположенных крыльев, машущих в противофазе с крестообразным приводом для сохранения общего центра давления (модели «Стрекоза», фиг. 4), когда в любой момент есть пара консолей, опускающихся вниз и обеспечивающих постоянство подъемной силы.

В ходе исследований одной из основных задач, которые мы ставили перед собой, была задача максимально возможного упрощения сложной конструкции крыла и всего аппарата с целью снижения веса, мощности и стоимости. Для этого делалась оценка многих особенностей машущего полёта в живой природе. Так экспериментально был исследован отгиб вниз конца крыла при его подъёме у некоторых птиц. Эффективность этого отгиба была оценена примерно в 7%, и мы отказались от него. Так же отказались от изменения кривизны профиля при машущем движении крыла. С оценкой перьевых законцовок крыла вышла длинная история. Некоторые птицы раздвигают концевые перья при планировании и махании крылом. Уменьшение индуктивных вихрей и использование их для дополнительной тяги давало эффект также в пределах 57%, но было конструктивно сложным. Мы отказались от таких законцовок, но рекомендовали их применение для неподвижных крыльев самолётов. Были проведены многочисленные продувки с целью оптимизации числа перьев, их размеров и положения. Кроме того, мы сделали продувочную модель крыла с шарнирно закреплённым концевым крылышком, которое на режиме крейсерского полёта индуктивным вихрем отклонялось вперёд, против полёта, наглядно иллюстрируя создание им тяги, уменьшающей сопротивление всего крыла. Но академики ЦАГИ высмеяли нас, заявив, что раз индуктивное сопротивление возникает от подъёмной силы, то мы, дескать, предлагаем бороться с самой подъёмной силой…

Однако прошёл год-полтора и появилось сообщение, что Ричард Уайткомб в NASA (США) предложил законцовки аналогичного назначения. ЦАГИ не стал почему-то разоблачать NASA, а «позаимствовал» эти законцовки и стал предлагать их самолётным ОКБ «не без выгоды». Сейчас большинство гражданских самолётов имеют такие законцовки (это стало даже модно, но не везде они оправданы).

КРИТЕРИЙ УСПЕХА
Вернёмся к машущему полёту. Попытки перейти от планера к махолёту, к планированию с машущим движением крыла предпринимались многократно. Такие полёты ещё в тридцатые годы прошлого века совершал планер Б.И. Черановского, в пятидесятых годах на возушном празднике в Тушино — планер «Кошук» с подрессоренным крылом. Отметим, что это были пилотируемые полёты. В 1986г. американец П.Маккриди демонстрировал запускаемую с помощью лебёдки модель птерозавра, которая также планировала, помахивая крыльями…
Чтобы не путать всякого рода «имитации» с настоящим машущим полётом, нами были предложены критерии его достижения. Первый из них — самостоятельный взлёт с земли машущекрылого аппарата, а не запуск его посторонними средствами. Второе условие - достижение определённого уровня несущих свойств машущего крыла. Сложность машущего полёта, состоит в том, что крыло в нём — источник как подъёмной силы, так и тяги. Часто эту картину упрощают, используя крыло, создающее лишь тягу. Совсем нетрудно построить небольшую модель, которая летает только за счёт тяги крыла и своей лёгкости (такие игрушки даже продаются в магазинах).
Такой ЛА становится нелетающим при увеличение его размеров: не хватает подъёмной силы. Если оценивать несущие свойства крыла различных «невесомых» моделей, то они на порядок ниже, чем у птиц. Численно несущие свойства машущего крыла оцениваются достигнутой удельной нагрузкой на крыло ЛА (отношение полетного веса к площади крыла), которая должна быть не ниже минимальной:
G/S ≥ (G/S)min = 0,012n2l4/S ,
где G — вес аппарата в кг; S—площадь крыла в кв.метрах, включая его неподвижную часть, если она есть; l - наибольший габаритный размах всего крыла в м; n – число махов в секунду (гц). Этот осредненный минимальный уровень соответствует низшему уровню несущих свойств крыльев птиц. Отметим, что у большинства птиц удельная нагрузка в несколько раз превышает минимальный необходимый уровень. Но нужно достичь хотя бы его, чтобы претендовать на осуществление машущего полёта. Нам удалось получить на своих моделях уровень несущих свойств, значительно выше минимального, требуемого для признания осуществимости машущего полёта, например, у радиоуправляемой модели весом 24 кг (полтора пуда!) — фиг. 5.
В конце 90-х гг. нами был организован временный трудовой коллектив (до 25 человек), который выполнил рабочий проект экспериментального пилотируемого махолёта (фиг. 6), способного перелететь Ла-Манш. Многие заводы были ознакомлены с ним и дали согласие изготовить его при наличии финансирования. По теме получено несколько патентов. К сожалению, экспериментальный махолёт до сих пор не построен из-за «отсутствия» средств и отчаянного противодействия определённых кругов.
Так, не настала ли пора перейти от призывов к инновациям к их действительному осуществлению?! И если не в нашей стране, то всё равно мащущий полёт займёт своё достойное место в будущем развитии авиации.
В соответствии с названием и темой статьи, в заключение приводится блок-схема состояния и развития аппаратов аэродинамического полёта.