эффект Магнуса и ротационное крыло

[jayrandom]

Недавно наткнулся на любопытное изобретение - RotorBoat. Видики выглядят совершенно фантастически: сидит мужик в лодке с мачтой без парусов, и при помощи этой мачты использует силу ветра.

Оказывается, в газовой динамике известен эффект Магнуса, позволяющий создавать подъёмную силу путём вращения цилиндра в ламинарном потоке. Если такой цилиндр вращать вертикально в ветреную погоду, его будет сносить перпендикулярно потоку, что обычно и требуется для плавания под парусами. В зависимости от соотношения скорости потока и скорости вращения можно получать разные "углы установки паруса". Необходимо подчеркнуть, что основную работу делает именно ветер. Цилиндр, не являясь гребным винтом, просто "закатывается" на поток.

Вот некоторое количество формальной математики на эту тему.

В начале 20-го века уже была попытка создать парусник на основе этого эффекта, но она провалилась по техническим причинам. См. жабо-демонстрашки и фотку корабля Антона Флеттнера в конце страницы.

Были также попытки создать на этом принципе летающие машины. Тоже используется "ветер" (скорость потока относительно крыла, а не земли), тоже цилиндр "закатывается" на этот поток, уравновешивая силу тяготения. Просматривается возможность создания машин с вертикальным взлётом задёшево.

Вот современные попытки создать такую машину.

Поскольку меня интересуют воздушные змеи, я стал искать, не было ли создано чего-то на этом принципе в "нашей" области? Оказывается, существует даже несколько различных конструкций вращающихся змеев.

На базе которых даже созданы коммерческие генераторы электрического тока.

Comments

[jayrandom.livejournal.com]

У крыла в виде вращающегося цилиндра возникает дополнительная степень свободы - это скорость его вращения. Чем быстрее вращение, тем сильнее подъёмная сила при прочих равных. У статического крыла такая свобода отсутствует (ей бы соответствовала возможность изменять профиль статически прикреплённого крыла), так что подъёмная сила завязана на горизонтальную скорость всего аппарата. Поэтому нужны длинные взлётно-посадочные полосы, и т.д.

Идеальное лётное средство должно на взлёте тянуть почти строго вверх, потом постепенно добавлять горизонтальную составляющую, на основном участке пути тянуть в основном горизонтально и использовать подъёмную силу только для уравновешивания, при подлёте сбросить горизонталь и постепенно убрать подъёмную до нуля. Как это сделать вращающимся цилиндром - в общем понятно. Со статическим крылом тяжелее. На подъёмную силу влияет профиль (бернуллиева тяга) и угол атаки (ньютоновская тяга). Профиль мы менять не можем, поскольку крыло жёсткое. Угол атаки было бы здорово менять, но существует жёсткое ограничение угла, после которого происходит т.н. "задний свал". Выше этого угла фиксированное крыло не задерёшь. А летать вертикально хотца!

[uma-palata.livejournal.com]

Давайте посмотрим, как это сделать вращающимся цилиндром. Для создания тяги вверх его нужно обдувать горизонтальным потоком. Для этого обдуватель размещаем спереди либо сзади. Для плавного поворота тяги к горизонтали обдуватель нужно тоже повернуть. Если он спереди - то вниз, если сзади - вверх. Обоим случаям сопутствует досадная ерунда: часть потока создаёт паразитную тягу не туда, в первом случае вниз, во втором назад.

Теперь "внимание, вопрос". Почему мощность, направленная на обдуватель и цилиндр, создаст тягу большую, нежели та же мощность, направленная на вертолётный винт? Сколько ни смотрю на схему, в упор не очевидно.

Насчёт регулировки подъёмной силы цилиндра в качестве крыла понятно, любопытная возможность. Не понятен именно выход тяги с мощности.

[jayrandom.livejournal.com]

В изначальной конструкции Флеттнера обдувание происходило за счёт внешней силы - ветра, там сомнений в целесообразности, очевидно, не возникает.

С летательными машинами, полностью зависимыми от накопленной энергии, всё не так просто. Начать с того, что обдув даже статического крыла пришлось бы осуществлять некоторыми винтами :) А крутить винт (систему крыльев), чтобы потом отклонять поток ещё каким-то крылом (возможно, вращающимся), кажется необоснованной тратой. Вспомнился вопрос из к/ф "Мимино" (- Если самолёт и вертолёт связать цепью, кто победит? - Цепь). Без сравнения работающих прототипов объективности будет добиться сложно.

Мне кажется, что (если пока отложить идею искусственного обдува крыла) ротационное крыло полезно именно тем, что малой энергией управляемо отклоняет силу потока. Когда горизонтальная скорость велика, ротор нужно крутить минимально. А вот на взлёте, если его раскрутить посильнее, можно взлететь со значительно меньшим разбегом. Это может быть дороже по горючке, но менее притязательно по отношению к полосе.

Наверное, стоит внимательно присмотреться к тому, чем будут воевать в следующей войне :)

Этих штук там не будет.

[b-my.livejournal.com]

Там будут другие, тоже очень интересные. Но эффект Магнуса уж больно неудобен технически.

Если тебя интересуют нетривиальные идеи из области аэродинамики, посмотри аппараты с контролем поверхностного слоя. Глядя на некоторые, ты просто не поверишь, что они реально могут летать. :)

Как пример выгугли ЭКИП (как есть - "ЭКИП"). Он был если не первым, то точно одним из.

С точки зрения техники и твоего приложения это тоже интересно, потому что практических способов контроля поверхностного слоя - вагон с тележкой, и многие ещё не придуманы. :) Там есть, где разгуляться. :)

[jayrandom.livejournal.com]

Действительно, ЭКИП выглядит игрушкой.

Почему эффект Магнуса неудобен? Казалось бы, круглые детали вращать должно быть проще простого. Кроме того, если общую длину ротора разделить на секции и вращать их с разными скоростями, можно получить ещё одну степень гибкости, недоступную жёстким крыльям.

[(Anonymous)]

Тем не менее, оно летало.

Потому что любая движущаяся деталь в технике - всегда потенциальный источник больших проблем и при конструировании, и при эксплуатации. Их число пытаются всемерно сократить.

А тут ещё всё это дело усугубляется большими размерами. Большие моменты инерции, большие моменты сил. И всё это - в воздухе, где граммы нужно экономить.

[jayrandom.livejournal.com]

Там уже есть движущиеся детали - двигатель, винты/турбины и пр.

Да, длинный и толстый барабан раскрутить - не шутка. С другой стороны, в случае отказа двигателей этот же барабан даёт дополнительную инерционную защиту в виде плавного планирования - как у вертолёта или автожира.

[b-my.livejournal.com]

Если что-то где-то плохо, это ещё не значит что можно или нужно сделать хуже. :)

Не даёт. Вертолёт может сесть на авторотации только потому, что набегающий воздух сам раскручивает винт.
В случае с крылом Магнуса это не так, система не поддерживает себя. Остановка крыла, и летательный аппарат камнем валится на землю.

В то время как самое банальное статичное крыло позволяет мягко спланировать. Даже большой реактивный лайнер с полностью отказавшими двигателями имеет шанс на безопасное приземление, лишь бы хватило запаса высоты. Про всякие DC, Cessna и прочие дозвуковые кукурузники не стОит даже упоминать.

[jayrandom.livejournal.com]

Не любой пассажирский самолёт может спланировать без движков, а только достаточно длиннокрылый Gimley Glider мог, но там повезло ещё и с пилотом, который умел управлять безмоторным планером (это особое искусство, сам видел :).

Если же крыло вращается... по-видимому, мы как-то по-разному понимаем явление авторотации. Я представляю всю ситуацию, как обратное преобразование - наподобие того, как если вращать ось незапитанного электродвигателя, он будет генерировать электричество.

У нас есть разогнанное по горизонтали тело на определённой высоте, движки отключаются. Теперь то, что его поднимало и разгоняло, будет работать в обратную сторону, используя энергию, накопленную в процессе подъёма. Винт вертолёта будет раскручиваться набегающим потоком, и аналогично будет раскручиваться ротор роторкрафта. В чём принципиальная разница?

[b-my.livejournal.com]

Строго говоря - любой. Вопрос лишь в скорости в момент касания с землёй. :)
Этот параметр изменяется плавно в широких пределах...
И ты будешь смеяться, но при посадке "на брюхо" при касательной скорости 300км/ч у пассажиров всё ещё есть шанс выжить. Если самолёт ждут, то даже неплохой.

Вот глянь на секунду на практику:
http://www.google.ee/search?q=%D0%BF%D0%BE%D1%81%D0%B0%D0%B4%D0%BA%D0%B0+%D1%81+%D0%BE%D1%82%D0%BA%D0%B0%D0%B7%D0%B0%D0%B2%D1%88%D0%B8%D0%BC%D0%B8+%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8F%D0%BC%D0%B8&ie=utf-8&oe=utf-8&aq=t&rls=org.mozilla:en-US:official&client=firefox-a
Спасательные жилеты в самолётах - вовсе не маразм.

Да, авторотацию мы понимаем одинаково. Просто я почему-то решил, что ты предлагаешь заменить обычное крыло крылом Магнуса. Обычное крыло имеет преимущество в безопасности над крылом Магнуса... значит, обычный вертолётный винт должен иметь преимущество над винтом с крыльями Магнуса (каким бы малым оно ни было). Разве не логично?

Про технические проблемы говорить не стану (понятно, что их много), но и пользовательские качества под вопросом. При ненулевой скорости такого винта относительно воздуха будет проявляться такой эффект: лопасть, которая идёт вперёд движется быстрее относительно потока, лопасть, которая идёт назад - медленнее. Поскольку "лопасть" на эффекте Магнуса очень чувствительна к скорости (рабочие скорости у неё гораздо меньше чем у обычного крыла), у тебя будет перекос тяги (который будет зависеть от небольших порывов ветра). Обычные вертолёты имеют проблемы с устойчивостью при ветре, а тут всё усугубляется. Кроме того, ограничения по скорости вертолётов (они обусловлены именно этим - кончики лопастей переходят за сверхзвук и перестают работать) будут ещё более жёсткими для подобного аппарата.

[(Anonymous)]

Да, ещё один принципиальный момент: круглые в сечении крылья Магнуса работают хорошо лишь на сравнительно малых скоростях. При большой скорости ты столкнёшься с отрывом потока, сильной турбуленцией за крылом и перекачкой энергии в бесполезные вихри.

Поэтому: красиво - да, экзотично и интересно - да!
Но применить можно лишь в очень узких нишах, да и там обычный пропеллер (парус, крыло) будет проще и дешевле.

[jayrandom.livejournal.com]

Ха! Можно подумать, обычный пропеллер выдаёт позади себя идеальный ламинарный поток :)

[(Anonymous)]

Ему это не до такой степени важно. :)
Чуть задумайся, и ты сразу увидишь, почему.

[azgar.livejournal.com]

Профиль крыла самолётов, кстати, очень даже меняется.
Механизация крыла -- закрылки и предкрылки, как раз, и есть изменение профиля.

[jayrandom.livejournal.com]

Это да. Но до вертикального взлёта обычному крылу далеко - приходится городить движки с поворотом вектора и пр.

[azgar.livejournal.com]

А на "барабанах" разве взлетают вертикально?
Ему же тоже нужен обдувающий поток.

[jayrandom.livejournal.com]

Гм, да, не знаю :)