The use of cylindrical wing propellers in aviation technology

Full Text

Введение

В Указах Президента Российской Федерации «О национальных целях развития Российской Федерации на период до 2030 г.», «О Стратегии национальной безопасности Российской Федерации», а также в «Транспортной стратегии Российской Федерации до 2030 с прогнозом на период до 2035 г.» и ряде других программных нормативных документах были поставлены государственные задачи, связанные с развитием транспортной отрасли в российском государстве, в том числе: расширение доступа к безопасным и качественным транспортным услугам с минимальным воздействием на окружающую среду и климат, повышение пространственной связанности и транспортной доступности территорий и мобильности населения, укрепление достигнутых Российской Федерацией лидирующих позиций и конкурентных преимуществ в авиационной промышленности, а также ряд других важнейших задач. Для решения поставленных государственных задач необходимо использовать все передовые технические достижения, в том числе и в авиастроении. В этой связи представляет определенный интерес развития авиационной техники нового поколения (авиатранспортной техники вертикального взлета и посадки) на основе использования в летательных аппаратах крыльчатых движителей цилиндрического вида [1–3].

В этой связи необходимо уточнить, что все известные аэродинамические движители можно условно подразделить на две группы, в том числе дисковые и цилиндрические. В дисковых аэродинамических движителях рабочие органы (лопасти) движутся в плоскости перпендикулярной оси вращения, а в цилиндрических – рабочие органы описывают цилиндрическую траекторию параллельную оси вращения. К первой группе относится воздушный винт (применяется в самолетах), несущий винт (в вертолетах), осевая турбина (турбореактивные двигатели). Наиболее известными среди цилиндрических движителей являются ротор Савониуса (использует эффект Магнуса), ротор Дарье (тип турбины низкого давления), также крыльчатые движители [4; 5].

Предложения по решению задачи

В целом крыльчатый движитель представляет собой устройство по созданию подъемной и тяговой сил летательного аппарата. Он конструктивно выглядит как цилиндрический ротор, по окружности которого на равных угловых расстояниях расположены крылообразные лопасти, которые совершают круговые движения вместе с ротором и колебательные движения вокруг собственных осей, лежащих на цилиндрической поверхности ротора. Сами колебательные движения лопастей по циклу вращения ротора задаются эксцентриковым механизмом и передаются системой управления (рис. 1). Вращение ротора приводится внешним двигателем [6].

Сама идея крыльчатого движителя была предложена еще в 1681 английским изобретателем Робертом Гуком. К практической реализации использования крыльчатого движителя цилиндрического вида в авиастроении приступили только в начале ХХ в. В частности, были спроектированы и частично испытаны такие авиационные конструкции, как летательный аппарат инженера Страндгрена, летательный аппарат «Сайклоджайро» (автор Е. А. Шредер), цикложир Хэвиленда Платта, цикложир Джона Б. Уитли; цикложир А. Рорбаха, циклоплан Фредерика К. Кирстена и ряд других летательных аппаратов [6–8].

В настоящее время научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР) по использованию крыльчатых движителей цилиндрического вида в авиастроении проводятся как в Российской Федерации, так и за рубежом, в том числе в Европейском Союзе, Республике Южная Корея, США, Китайской Народной Республике, Израиле и ряде других стран мира. На основе проводимых работ были спроектированы и испытаны ряд прототипов летательных аппаратов, которые используют крыльчатые движители.

При этом определенного успеха добилась австрийская компания IAT21, которая в 2012 испытала летательный аппарат с дизельным двигателем общей массой в 200 кг и грузоподъёмностью 100 кг [9].

 

Рис. 1. Устройство крыльчатого движителя (а) и схема его работы (b)

Fig. 1. The device of the impeller drive (a) and the scheme of its operation (b)

 

В Российской Федерации работы по созданию летательного аппарата на основе использования крыльчатых движителей цилиндрического вида ведут такие организации, как Фонд перспективных исследований (начало работ – 2017 г.) и научно-исследовательская группа «Арей» (начало работ – 2002 г.). Так как деятельность Фонда перспективных исследований является в определенной степени закрытой, то в данном исследовании будет использоваться информация научно-исследовательской группы «Арей», которая была получена в ходе проведения НИОКР [10].

Параметры крыльчатого движителя цилиндрического вида

Для определения оптимальной размерности, как крыльчатого движителя цилиндрического вида, так и самого летательного аппарата, НИОКР проводился на условиях постепенного увеличения размерности крыльчатого движителя. Первоначально рассматривался крыльчатый движитель цилиндрического вида диаметром 0,15 м и длинной 0,18 м. В процессе исследования рассматривались разные профили, включая вихревой ступенчатый, сочетания разного количества лопастей, углов атаки, скоростей вращения [6; 11].

На следующем этапе проектирования крыльчатого движителя цилиндрического вида его диаметр был увеличен до 0,5 м. В процессе НИОКР рассматривались лопасти с изменяемой кривизной профиля. Данные исследования заложили основу теории и практики работы крыльчатых движителей. К ним можно отнести понимание роли геометрических соотношений элементов ротора и числа лопастей. Были определены пределы регулирования углов атаки и отклонения вектора тяги. Появилось понимание прочностных требований к конструкции и жесткости её частей. Сложилось виденье решений кинематических механизмов управления углами атаки лопастей и закрылками, вектором тяги в целом и т. д. Все это в целом дало определенную возможность конструирования летательных аппаратов различной размерности, использующих крыльчатый движитель, в том числе от беспилотного варианта до перевозки нескольких десятков пассажиров на значительные расстояния [6; 11].

Определенным этапом в проектировании крыльчатого движителя цилиндрического вида стал движитель с диаметром 0,78 м с шестью лопастями и их длиной в 0,85 м. Площадь поверхности цилиндра составила 2 м² с общим весом ротора в 15 кг и мощностью 9 кВт. Обороты крыльчатого движителя составили 1400 об/мин. Расчетная тяга с ротора достигла 50 кг, а удельная тяга с мощности – 6 кг/кВт. Хорда лопасти составила 0,12 м; профиль – 18 %; тяга, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения, – 75 кг/м²; безразмерный коэффициент С_у, приведенный к площади цилиндра ротора, – 0,13 (рис. 2) [6; 11].

В крыльчатом движителе цилиндрического вида с диаметром цилиндра 0,78 м предусмотрены следующие элементы и механизмы управления: встроенный автомат циклического изменения геометрических углов атаки лопастей; управление приводом изменения общего угла атаки лопастей; управление вектором тяги; автоматическое управление кривизной профиля лопастей [6; 11].

 

Рис. 2. Крыльчатый движитель цилиндрического вида с диаметром цилиндра 0,78 м

Fig. 2. Cylindrical-type impeller with a cylinder diameter of 0.78 m

 

Полученные на стенде величины параметров исследуемого крыльчатого движителя цилиндрического вида по комплексу показателей превосходят характеристики изделий других исследовательских групп (табл. 1) [6; 11]. В таблице приведены характеристики и параметры дисковых и цилиндрических устройств, позволяющие сделать вывод о том, что крыльчатые движители цилиндрического вида по основным параметрам не уступают дисковым устройствам. При этом испытываемые конструкции моделей летательных аппаратов с несущими крыльчатыми движителями цилиндрического вида демонстрируют выполнение необходимых летных требований, предъявляемых к авиатранспортному средству вертикального взлета и посадки.

На основе проведенного математического моделирования возможностей перспективного авиатранспортного средства можно уже сейчас сделать вывод о том, что по ряду ключевых параметров он превосходит схожие с ним по компоновке мультикоптеры. В частности, при одинаковых габаритах и взлетной массе перспективному авиатранспортному средству требуется меньшая мощность двигателя при почти вдвое большей грузоподъемности [6; 11].

 

Таблица 1. Характеристики и параметры дисковых и цилиндрических устройств

Тип устройства	Характеристика устройств		Тяговые параметры устройств
	Габарит, размеры, м	Потребляемая мощность, кВт	Нагрузка на ометаемую площадь, кг/м2 (потребительские свойства)	Удельная тяга,  кг/кВт (энергетическая эффективность)
Дисковые устройства
Несущий винт (соосный)	D 7,2	73,5	17,7	9,7
Тяговый винт	D 1,8	48,0	75,0	3,75
Цилиндрические устройства
Крыльчатый движитель (Корея)	0,5×0,5	0,55	16,8	7,7
	1×1,7	23,5	16,8	6,3
Крыльчатый движитель (Австрия)	1,2×1,2	70,0	142,0	2,9 (2016 г.)
Крыльчатый движитель (Россия, Красноярск)	0,85×0,78	5,2	30,0	5,8

 

В техническом задании на проектирование крыльчатых движителей цилиндрического вида и летательных аппаратов, их использующих, заложены определенные требования к материалам. Планируется, что основным конструкционным материалом будут алюминиевые сплавы до 73 % от общего веса. На легированные стали будет приходится до 11 %, на композитные материалы – до 4 %, прочие конструктивные материалы – до 12 %. Фактический отказ от массового использования композитных материалов связан с проблемой их дальнейшей утилизации. Поэтому в качестве наиболее перспективного материала, в том числе и с точки зрения экологии, решили использовать алюминиевые сплавы. Проблем с их утилизацией нет. При этом энергозатраты при получении готового металла при рециклинге алюминиевых конструкционных элементов составляют около 20 ГДж/т (энергозатраты на получение первичного алюминия составляют 174 ГДж/т) [6].

В целом энергетическая эффективность самого крыльчатого движителя цилиндрического вида будет определяться подбором геометрических и аэродинамических параметров лопасти, в том числе самих профилей и их характеристик, размерности, способности адаптировать кривизну по циклу вращения и т. д., а также использованием оптимального закона колебания лопастей, реализуемого с помощью адекватного механизма, дифференциально задающего углы атаки лопастей по циклу вращения.

Сами крыльчатые движители должны снабжаться устройствами подстройки углов колебания лопастей на изменение параметров набегающей среды. В свою очередь, управление движением летательного аппарата будет обеспечиваться эксцентриковым механизмом, который позволяет менять направление векторов тяги роторов.

Конструктивно в крыльчатом движителе формируется вектор тяги поперек оси вращения, что позволяет создавать силу тяги в любом необходимом направлении, изменяя ее от 0 до 360°. Данная конструктивная особенность обеспечивает вертикальный взлет и посадку летательному аппарату, а также переход на горизонтальное движение с плавным набором или снижением высоты. А в горизонтальном полете дает возможность без разворота переходить из движения вперед на движение назад, а также на зависание и вращение [6].

Концептуальный образ летательного аппарата

В процессе проведения НИОКР научно-исследовательской группой «Арей» был предложен концептуальный образ двухместного летательного аппарата, использующего крыльчатые движители. Он получил название «Циклолет». Авиатранспортное средство имеет трехроторную аэродинамическую схему. Между двумя передними цилиндрическими роторами расположена капсула-кабина. Третий цилиндрический ротор находится в кормовой части капсулы-кабины. Авиатранспортное средство имеет полозковое шасси. Управление эволюциями аппарата обеспечивается эксцентриковым механизмом, изменяющим направление векторов тяги цилиндрических роторов (рис. 3), и изменением частоты вращения оборотов роторов [6; 12].

В процессе проведения НИОКР по разработке перспективного летательного аппарата типа «Циклолет» были выявлены преимущества перед классическими вертолетами, в том числе малошумность, малозаметность, маневренность, высокие удельные характеристики, возможность причаливания к вертикальным и наклонным поверхностям, многозадачность и многофункциональность, всепогодность, возможность эксплуатации в сложных горных и городских условиях, компактность, безопасность, защищенность [6; 12].

 

Рис. 3. Двухместное авиатранспортное средство типа «Циклолет» на основе крыльчатых движителей цилиндрического вида

Fig. 3. A two-seat air transport vehicle of the Cyclolet type based on cylindrical wing propellers

 

Кроме того, при проведении стендовых испытаний крыльчатого движителя цилиндрического вида были сформированы технические требования, которые позволили сформировать следующие тактико-технические требования к 2-местному летательному аппарату, использующему данные движители (табл. 2).

 

Таблица 2. Тактико-технические требования, предъявляемые к 2-местному авиатранспортному средству типа «Циклолет»

№	Показатели	Значения показателя
1	Взлет и посадка	Вертикальная
2	Диапазон скоростей	от 0 до 200 км/ч
3	Скороподъемность	до 10 м/с
4	Необходимые перемещения	Вперед-назад, вверх-вниз, вращение на месте в плоскости горизонта в обе стороны, режим висения
5	Устойчивость и способность управляться при скорости ветра	до 20 м/с
6	Отклонение по любой координате при внешнем возмущении среды	не более 1 м
7	Расход горюче-смазочных материалов при максимальной взлетной массе	не более 12–15 л/ч
8	Ресурс (общий)	до 5000 ч
9	Наработка на отказ основных элементов	до 2000 ч

 

Заключение

Вышеприведенные основные характеристики авиатранспортного средства «Циклолет» не являются окончательными. Необходимы дополнительные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. В частности, не полностью еще изучены влияние друг на друга нескольких (3-х, 4-х, 6-ти и более) работающих роторов. При увеличении их количества в летательном аппарате тактико-технические характеристики будут изменяться. Кроме того, необходимо оптимизировать габаритные размеры самих роторов как по длине, так и по диаметру, определить их размерный ряд и т. д. [13; 14].

Для проведения дополнительных НИОКР необходимы финансовые ресурсы и время. Поэтому при проведении НИОКР следует объединить усилия государства, заинтересованного в результатах данного проекта, и специалистов, работающих в данной области. Это позволит более эффективно проводить работы в данном направлении.

В целом полученные тактико-технические характеристики летательного аппарата вертикального взлета-посадки типа «Циклолет» с несущей и тяговой системой на основе крыльчатых движителей позволяют сделать вывод о том, что данное направление развития авиационной техники является достаточно перспективным. Работы в данном направлении позволяют развивать в Российской Федерации перспективные высокие технологии, а также вести подготовку научных и научно-педагогических кадров и высококвалифицированных специалистов в авиационной отрасли.

Крыльчатый движитель является обратимым устройством. Он может работать в качестве двигателя, утилизирующего энергию текучей среды (потока воды или воздуха) для преобразования ее в электрическую или механическую энергию. Все это позволяет говорить о возможности организации на базе использования крыльчатых движителей не только высокотехнологичных производств, но и новых отраслей экономики, формирующих рынки товаров и услуг на основе перспективных высоких технологий [15].

About the authors

Viktor V. Prokhorov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Author for correspondence.
Email: prohorov.victor@yandex.ru

Cand. Sc., Associate Professor

Russian Federation, 31, Krasnoyarskii Rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037

Lev A. Oborin

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: lev.oborin.47@mail.ru

Dr. Sc., Professor

Russian Federation, 31, Krasnoyarskii Rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037

Viktor P. Melnikov

Scientific Research Group “Arey”

Email: krilch@yandex.ru

Chief Designer

Russian Federation, 15, Sverdlovskaya St., Krasnoyarsk, 660079

References

Supplementary files