Летательные и подводные аппараты с машущими движителями

Т. X. Ахмедов







            ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ И ПОДВОДНЫЕ АППАРАТЫ С МАШУЩИМИ ДВИЖИТЕЛЯМИ


Монография

2-е издание















Инфра-Инженерия Москва - Вологда 2018

УДК 533.6
ББК 39.54
А 95

ФЗ №436-Ф3

Издание не подлежит маркировке в соответствии сп.1ч.2 ст. 1

Рецензенты:
заслуженный деятель науки и техники Республики Татарстан, доктор технических наук, профессор С.А. Михайлов;
заслуженный работник высшей школы Российской Федерации, доктор физико-математических наук, профессор В. А. Самсонов.





     Ахмедов Т.Х.
А 95 Летательные и подводные аппараты с машущими движителями.
      Монография / Т. X. Ахмедов. - 2-е изд. испр. и доп. - М.: ИнфраИнженерия, 2018.- 292 с.
ISBN 978-5-9729-0185-2




      В книге изложены результаты исследований в области машущих движителей, аналогами которых являются природные объекты - аэробионты (птицы и насекомые с быстромашущими крыльями), а также гидробионты (китообразные, рыбы, пингвины и жуки-плавунцы). Рассматриваются принципы действия и теоретические основы машущих движителей природных аналогов. Разработаны действующие механические модели аппаратов с машущими движителями. Создана расчётная схема, проведён расчёт тяги и мощности быстромашущего движителя. Разработаны технические облики беспилотных летательного и подводных аппаратов, а также судов с машущими движителями.
      Полученные результаты могут быть использованы при разработке и проведении оценочных расчётов, например, дистанционно пилотируемого летательного аппарата с быстромашущими крыльями, а также при изучении курса «Аэродинамика и теория полёта». Для специалистов соответствующих областей науки и техники, преподавателей, студентов вузов.





© Ахмедов Т.Х., автор, 2018
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2018


ISBN978-5-9729-0185-2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие..................................................6
Словарь терминов.............................................9
Введение....................................................10
Глава 1. Обзор теоретических и экспериментальных исследований машущих движителей аэробионтов................ 12
  1.1. Уравнение Эйлера, интегралы Бернулли и Лагранжа..... 13
  1.2. Движение тела в идеальной жидкости, присоединённая масса. 14
  1.3. Отрывные течения, теория струй...................... 17
  1.4. Математическое моделирование вихревых структур при отрывном обтекании профилей...............................20
  1.5. Теория машущего движителя В.В. Голубева, основное уравнение машущего движителя.....................24
  1.6. Механическая модель быстромашущего движителяаэробионтов..................................... 34
  1.7. Результаты экспериментальных исследований кинематики машущего крыла насекомого из отряда двукрылых, полученные В. Нахтигалем................................. 36
  1.8. Компьютерное моделирование винта вертолёта с использованием численного метода дискретных вихрей......42
Глава 2. Обзор теоретических и экспериментальных исследований машущихдвижителейгидробионтов.............................. 50
  2.1. Китообразные и рыбы................................. 50
  2.2. Волнообразный способ плавания животных. Волновой движитель....................................... 53
  2.3. Теоретические исследованияволновогодвижителя........ 54
  2.4. Квазистационарная теория машущего плавникового движителя................................... 57
  2.5. Экспериментальныеисследованиямашущегокрыла...........60
  2.6. Класссификация способов плавания гидробионтов с учётом направления движения их плавников.........................61
Глава 3. Машущие движители летательных аппаратов и их природных аналогов. Классификация движителей аэро- и гидробионтов........................................66
  3.1. Летательные аппараты с машущими крыльями.............66
  3.2. Летательный аппарат природных аналогов с быстромашущими крыльями.................................72
  3.3. Классификация движителей аэро- и гидробионтов........77

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

  Глава 4. Механическая модель быстромашущего движителя....... 86
    4.1. Кинематическая схема наклонно-махового способа маховых движений крыла аэробионта................................. 86
    4.2. Механическая модель быстромашущего движителя «Автомат супинации»..............................87
    4.3. Кинематические параметры цепи зубчатое колесо-водило..89
    4.4. Кинематические параметры цепи водило-ступица..........90
    4.5. Соотношение кинематических параметров автомата супинации в I фазе маховых движений крыла..................92
    4.6. Соотношение кинематических параметров автомата супинации во II фазе маховых движений крыла................94
    4.7. Соотношение кинематических параметров автомата супинации в III фазе маховых движений крыла................96
    4.8. Соотношение кинематических параметров автомата супинации в IV фазе маховых движений крыла.................98
    4.9. Определение линейных и угловых скоростей и ускорений звеньев автомата супинации....................100
    4.10. Алгоритм расчета кинематических параметров автомата супинации.........................................101
    Листинг 1.1. Расчет кинематических параметров автомата супинции.........................................104
  Глава 5. Аэродинамика отрывных течений при ускоренных движениях машущих крыльев...................................110
    5.1. Схемы образования вихрей и течений при ускоренном движении крыльев с различными углами атаки.................110
    5.2. Расчет эквивалентной тяги и мощности быстромашущего движителя аэробионта, функционирующего в режиме висения....121
    5.3. Расчет тяги и мощности быстромашущих движителей летательных аппаратов, функционирующих в режиме висения....127
  Глава 6. Компьютерное моделирование аэродинамических процессов, происходящих в пограничном слое быстромашущего крыла........135
    6.1. Расчёт кинематических параметров пограничного слоя быстромашущего крыла.......................................135
    6.2. Компьютерное моделирование векторных полей ускорений на поверхности и в пограничном слое быстромашущего крыла...142
    6.3. Компьютерное моделирование векторных полей скоростей, возникающих в пограничном слое быстромашущего крыла.......149
    6.4. Векторные поля инерционных ускорений и скоростей частиц воздуха в пограничном слое быстромашущего крыла комара....152

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

    6.5. Векторные поляускорений и скоростей частиц воздуха в пограничном слое быстромашущего крыла мухи..............172
    6.6. Векторные поляускорений и скоростей в пограничном слое крыла энтомоптера при частоте маховых движений крыльев 30 Гц.............................................193
    6.7. Векторные поля ускорений и скоростей в пограничном слое крыла энтомоптера при частоте маховых движений крыльев 21 Гц.226
    6.8. Инерционные ускорения и скорости частиц воздуха на задней кромке и разных высотах пограничного
    слоя быстромашущего крыла мухи............................239
    6.9. Анализ результатов математического и компьютерного моделирования процессов, происходящих в пограничном слое быстромашущего крыла.................................251
  Глава 7. Технические модели, летательные и подводные аппараты с машущими движителями..................................... 260
  Глава 8. Машущие ветряные и водяные двигатели...............272
  Заключение..................................................278
  Послесловие.................................................285
  Литература..................................................287

5

ПРЕДИСЛОВИЕ


    Современные транспортные средства - воздушные, наземные и морские -достигли высокой степени совершенства. В авиации и судостроении в последние десятилетия произошли существенные изменения: появились беспилотные летательные (БЛА) и подводные аппараты. Однако существует противоречие: при сравнении по такому параметру, как коэффициент гидроаэродинамическо-го совершенства (кВт*с/тонн), выясняется, что технические объекты значительно уступают биологическим существам [Козлов Л.Ф., 1983].
    Кроме того, несмотря на многократные попытки, не созданы летательные аппараты, удачно сочетающие достоинства вертолета и самолета: вертикальные взлет и посадку, маневренность, большие дальность и скорость полета. В связи с этим при эксплуатации БЛА используются катапульты для старта и парашюты для приземления летательных аппаратов. Однако птицами и насекомыми в ходе эволюции освоены и длительный, и маневренный полёты. Существует также потребность в патрулировании обширных морских территорий с помощью экономичных беспилотных подводных аппаратов. Поэтому по-прежнему актуальным остаётся вопрос создания летательных и подводных аппаратов с машущими движителями, аналогами которых могли бы стать движители аэро- и гидробионтов.
    В связи с этим аэро- и гидробионты, а также их машущие движители остаются для учёных и изобретателей объектами для глубоких теоретических и экспериментальных исследований, а предметом исследований является принцип действия машущих движителей природных объектов. Под принципом действия понимается кинематика маховых движений крыльев и плавников, а также аэрогидродинамические процессы, происходящие около них.
    При проведении исследований в качестве природных аналогов выбраны: аэробионты - быстромашущие насекомые из отрядов перепончатокрылых и двукрылых (пчёлы, осы, мухи, комары), гидробионты (рыбы, китообразные, пингвины).
    Научно-техническая проблема заключается в сложности математического описания, компьютерного моделирования и экспериментального воспроизведения отрывных вихревых аэро- и гидродинамических процессов, возникающих при функционировании машущих движителей природных объектов.
    Цель проведённых исследований заключалась в изучении и использовании принципов действия машущих движителей природных объектов путём создания физических, математических, компьютерных, механических моделей, а также проведением экспериментов.
    Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:
    •    анализ известных теоретических и экспериментальных работ по машущим движителям;
    •    разработка классификаций способов полёта и плавания аэро- и гидробионтов;

6

ПРЕДИСЛОВИЕ

    •    разработка кинематической и механической моделей быстромашущего движителя;
    •    разработка методики расчёта кинематических параметров звеньев механической модели быстромашущего движителя;
    •    экспериментальная разработка физической аэродинамической модели отрывных вихревых течений около быстромашущего крыла;
    •    разработка методик расчёта тяги и мощности быстромашущего движителя;
    •    разработка методик математического и компьютерного моделирования аэродинамических процессов, происходящих в пограничном слое быстромашущего крыла;
    •    разработка экспериментальных механических моделей подводных аппаратов с машущими движителями;
    •    разработка технического облика перспективных летательных и подводных аппаратов с машущими движителями;
    •   разработка машущих ветряных и водяных машущих двигателей.
    Теоретическая значимость исследования обоснована тем, что:
    •    изучен генезис машущих движителей аэро- и гидробионтов: птиц, насекомых с быстромашущими движителями, пингвинов, дельфинов, жуков-плавунцов - как результат наивысшего эволюционного развития биологических объектов;
    •    использован комплекс существующих базовых методов теоретических и экспериментальных способов исследования (математическое, компьютерное и экспериментальное моделирование), вносящий вклад в расширение представлений об изучаемых явлениях;
    •    аргументированно изложены результаты исследований путём сопоставления полученных автором экспериментальных и расчётных параметров с известными параметрами, характеризующими природные объекты, их движители;
    •    разработана методика математического и компьютерного моделирования аэродинамических процессов, происходящих в пограничном слое быстромашущего крыла и оказывающих существенное влияние на общую картину обтекания крыла, а также механизм создания тяги;
    •    экспериментально показано новое физическое явление - создание тяги отрывными вихрями при ускоренных перемещениях крыльев и плавников на закритических углах атаки в импульсном режиме.
    Достоверность результатов исследования заключается в том, что:
    •    путём математического моделирования показано подобие кинематики машущих крыльев «Автомата супинации» кинематике крыльев быстромашущего насекомого;
    •    разработана методика расчёта тяги и мощности быстромашущего движителя, благодаря которой возможно сопоставление энергетических параметров механизма «Автомат супинации» и мышц аэробионтов;
    •    показано совпадение расчётной картины течения в пограничном слое с геометрией жилкования канавок на крыле природного объекта;

7

ПРЕДИСЛОВИЕ

    •    показаны подобия кинематики разработанных автором механизмов и их природных аналогов.
    Практическая значимость проведённых исследований заключается в возможности создания в перспективе летательных и подводных аппаратов с машущими движителями, принцип действия движителей которых будут подобны принципам действий движителей природных аналогов, прошедших в ходе длительной эволюции через сито естественного отбора.
    Монография предназначена для специалистов в технических областях науки и техники: учёных, преподавателей, студентов технических вузов, изобретателей летательных и подводных аппаратов с машущими движителями.

8

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ


    Автомат супинации - механизм, обеспечивающий махово-супинацион-ные движения машущих крыльев.
    Аэробионты - живые летающие существа (птицы, насекомые).
    БЛА - беспилотные летательные аппараты.
    Быстромашущие и медленномашущие движители аэробионтов и летательных аппаратов, которые отличаются кинематикой и относительными частотами маховых движений крыльев.
    Вентилируемый объем - та часть трехмерного пространства, через которую протекает воздух в фазе махово-супинационного движения крыла с ос-редненной индуктивной скоростью.
    Взмах - вращательное движение крыла при его поднятии.
    Импульсное поступательное центробежное течение (ИПЦ-течение) -импульсное течение, возникающее в фазе махово-супинационного движения машущего крыла.
    Мах - вращательное движение крыла при его опускании.
    Наклонно-маховый способ совершения движений крыльями в наклонной плоскости - способ, при котором в фазе маха, опускаясь и супинируя, крылья перемещаются сзади - сверху вперёд - вниз. Используется аэробионтами преимущественно при перемещениях в вертикальном направлении, зависании, приземлении.
    Поперечно-маховый способ совершения маховых движений - способ создания тяги, при котором крылья в фазе маха, опускаясь спереди - сверху, пронируют и отводятся назад. Используется аэро- и гидробионтами преимущественно при перемещениях в горизонтальном направлении.
    Пронация - вращательное движение крыла относительно его задней кромки против часовой стрелки во время опускания крыла.
    Супинация - вращательное движение крыла относительно его продольной оси по часовой стрелке во время опускания крыла.

9

ВВЕДЕНИЕ


      Современные транспортные средства - воздушные, наземные и морские - достигли высокой степени совершенства. В то же время живые организмы - аэро- и гидробионты остаются объектом глубоких теоретических исследований для учёных, а также для экспериментаторов и изобретателей. Объясняется это тем, что в авиации в последние два десятилетия произошли существенные изменения - появились беспилотные летательные аппараты (БЛА).
      К настоящему времени, несмотря на многократные попытки, не созданы летательные аппараты, удачно сочетающие в себе достоинства вертолета и самолета - экономичные - вертикальный взлет и посадку, маневренность, большие - дальность и скорость полета. Поскольку эта задача не решена ни с помощью воздушного винта, ни с помощью реактивного двигателя, остается еще одна возможность - установка на летательные аппараты быстромашущих движителей, аналогами которых могут стать природные объекты.
      Существует также задача патрулирования обширных морских территорий с помощью экономичных беспилотных подводных аппаратов.
      В связи с этим по-прежнему актуально изучение принципа действия машущих движителей природных аналогов для использования его в технических устройствах.
      Цель проведённых исследований заключалась в решении научной задачи: раскрытие сущности физических, аэродинамических и механических процессов, характеризующих принципы действия движителей природных аналогов для использования их в движителях летательных и подводных аппаратов различного назначения.
      В качестве природных аналогов для проведения исследований выбраны: аэробионты - птицы, быстромашущие насекомые из отрядов перепончатокрылых и двукрылых, гидробионты - рыбы, китообразные, пингвины.
      В монографии рассматриваются вопросы, связанные с механикой машущих движителей, моделированием аэро- и гидродинамических процессов, расчётом тяги и мощности быстромашущего движителя для беспилотного летательного аппарата. Представлены технические модели и аппараты с машущими движителями, а также машущие ветряные и водяные двигатели.
      Изложены следующие материалы проведенных исследований:
    • Обзор теоретических и экспериментальных исследований машущих движителей аэробионтов.
    • Обзор теоретических и экспериментальных исследований машущих движителей гидробионтов.
    • Машущие движители летательных аппаратов и их природные аналоги.

10

ВВЕДЕНИЕ

    •  Движители аэробионтов, их классификация. Механическая модель бы-стромашущего движителя.
    •  Аэродинамика отрывных течений при ускоренных движениях машущих крыльев.
    •  Расчёт кинематических параметров пограничного слоя быстромашу-щего крыла.
    •  Технические модели, летательные и подводные аппараты с машущими движителями.
    •  Машущие ветряные и водяные двигатели.

      Автор книги считает своим долгом выразить благодарность:
      - Пономарёвой А.С. за помощь, оказанную при разработке компьютерной модели пограничного слоя на поверхности быстромашущего крыла,
      -Кочетову А.С. за помощь, оказанную при обсуждении и оформлении заявок на изобретения и полезные модели.

11

ГЛАВА 1

Обзор теоретических и экспериментальных исследований машущих движителей аэробионтов

    Возникновение полёта и появление на Земле аэробионтов - важное эволюционное событие. Более трёхсот миллионов лет назад первыми поднялись в воздух насекомые. Позже - около 150 млн лет назад - появились птицы. Изучение принципов действия машущих движителей аэробионтов не только способствует углублению наших знаний о природе. Появляется возможность установления новых аэродинамических эффектов, благодаря которым возникает возможность их приложения в технических объектах.
    Однако машущие движители аэробионтов представляют собой сложные объекты. Их копирование не представляется возможным. Поэтому учёными и изобретателями были предприняты различные исследования отдельных механических и аэродинамических свойств машущих движителей путем частичного моделирования и даже проведения экспериментов с живыми организмами с использованием аэродинамических труб и гидроканалов.
    Показательно следующее высказывание В.В. Голубева: «Несмотря на гениальные творения Ньютона, Эйлера, Лагранжа и многих других выдающихся учёных, современная наука ещё весьма далека от полного понимания того, что происходит в движущейся массе жидкости» [Голубев В.В., 1957].
    Некоторые краткие сведения из аэро- и гидродинамики приводятся в следующих разделах этой главы:
    ■  уравнение Эйлера, интегралы Бернулли и Лагранжа;
    ■  движение тела в идеальной жидкости, присоединённая масса;
    ■  отрывные течения, теория струй;
    ■    математическое моделирование вихревых структур при отрывном обтекании профилей.
    Эти сведения способствуют пониманию того, что происходит в движущейся массе жидкости, то есть раскрытию физической сущности сложных процессов. С их помощью более чётко определяются границы стационарных и нестационарных течений, возможность использования обращённой или реальной картины движения жидкости, роль массовых сил при формировании тяги и подъёмной силы.
    Краткий анализ теоретических и экспериментальных исследований машущих движителей аэробионтов, проведённых различными авторами, приводится в разделах:
    -    теория машущего движителя В.В. Голубева, основное уравнение машущего движителя;
    -  механическая модель быстромашущего движителя аэробионтов;
    -    результаты экспериментальных исследований кинематики машущего крыла аэробионта из отряда двукрылых, полученные В. Нахтигалем.

12

ГЛАВА 1

1.1. Уравнение Эйлера, интегралы Бернулли и Лагранжа
    При изучении взаимодействия машущих объектов с окружающей их средой возникают трудноразрешимые проблемы, связанные с математическим описанием задач обтекания деформируемых тел не только вязкой реальной, но даже идеальной жидкостью. Путь решения подобных задач основан на создании упрощённых приемлемых математических моделей.
    Так, например, при изучении вопроса, связанного с созданием тяги машущими крыльями насекомого, находящегося в режиме зависания, обычно используются квазистационарная аэродинамическая схема и принцип обращённого движения, при которых рассматривается движение среды относительно неподвижно установленного крыла, а не движение крыла в неподвижной среде. В результате расчётное значение подъёмной силы крыльев насекомого не превышает вес насекомого, что не соответствует действительности. По наблюдениям, например, муха сирфида демонстрирует высший пилотаж, за которым не может уследить глаз наблюдателя. Это приводит к известным высказываниям о том, что насекомые летают вопреки законам аэродинамики.
    В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований было установлено [Ахмедов Т.Х., 2009], что тяга быстромашущего движителя насекомого формируется лишь при реальном, а не обращённом движении крыльев в фазе их ускоренного движения во время опускания и супинационного вращения относительно передних кромок. В этом случае уравнения Эйлера для движения идеальной жидкости около крыла имеют вид [ФабрикантН.Я., 1964]:
¹²т
at р ох



dvy = Y ¹ ⁵jP• dt       рду'


(1.1)

dvuz     1 ф
dt       p dz’


  где X, Y, Z - массовые силы.
    Но при расчётах по стационарной и квазистационарной аэродинамическим схемам массовые силы не учитываются. Поэтому получаемое после интегрирования уравнение Бернулли имеет следующий вид:

                            pv²
                        p + -^- + yz = const.


(1.2)

    На примере парадокса с вычисленными и реальными значениями подъёмной силы быстромашущих крыльев насекомых наблюдается ошибочное использование интеграла Бернулли. Более глубокое изучение природных объ


13