CC BY
13Инновационный подход в формировании обликов транспортных систем будущего
о ы
а
s
«
а б
Мельников Владимир Павлович,
д.т.н, проф. МАИ, президент РОО АИПАН Назаров Александр Викторович,
д.т.н., проф., Зав. каф. РадиоВТУЗ МАИ
Рассмотрены возможности применения инновационного подхода на основе типологии в выборе форм обликов любых транспортных систем с характеристиками перспективного построения эффективных средств в применении различных сферах ЛА, надводных судов, подводных лодок, автомобилей, поездов и т.д. применительно к возможностям использования современных технологий земного сообщества. Раскрыты обоснования аэрогидродинамических свойств перспективных форм транспортных систем. Проанализированы применения основных типовых геометрических форм в зависимости от видов транспортных систем. Сделан сравнительных анализ возможностей использования как перспективных средств транспорта дискообразных аппаратов вертикального взлета и посадки, а также приведены некоторые эскизные проекты поезда на воздушной подушке, вертолета с повышенными характеристиками полета и безопасности, а так же создание конструктивных прочностных схем подтверждения применения дискообразной формы для подводных аппаратов с большой глубиной погружения, по сравнению с цилиндрической формой. Дан анализ исторических конструктивных решений фашисткой Германии, современных достижений США и России. Ключевые слова. Инновационный подход, транспортное средство, аэрогидродинамическая теория, типология, дискообразный аппарат.
Многообразие форм современных авиационных и космических аппаратов, наземных транспортных средств, надводных судов, подводных лодок, несмотря на свою многоликость, имеет определенные физические обоснования, которые опираются на законы взаимодействия аппарата со средой, в которой перемещаются и с которой они взаимодействуют при функционировании.
Сегодня имеется возможность рассмотреть с точки зрения единой аэрогидродинамической теории и с помощью типологического подхода некоторые технические характеристики применяемых человечеством аппаратов для передвижения в различных средах и наметить пути их совершенствования, учитывая полученные данные о показателях аномальных объектов как земного, так и инопланетного происхождения [1, 2].
Прежде всего надо выделить одно самое главное концептуальное положение, которое определяет основную тенденцию в историческом развитии любых транспортных средств- это непременное повышение скорости передвижения. Целесообразность такого положения также обосновывается социально- экономическими требованиями- сокращение расходов на перемещение в различных средах пребывания грузов, людей и т.д. поэтому решение этой задачи в различных отраслях транспорта осуществляется на основе паритета экономических затрат и выигрыша в увеличении скорости передвижения. Это привело к конструктивно- техническим решениям в транспортных средствах, которые сильно отличаются друг от друга по видам передвижения и формам исполнения, несмотря на имеющиеся обоснования единого подхода к формообразованию и двигательным системам теоретико- практического характера.
Это обоснование базируется на фундаментальном законе- описания физической картины обтекания аппаратов в воздушной и других различных средах -законе Бернулли [3], который математически представляется уравнением его имени, и формулируется в следующем виде: сумма статического и динамического давления для любого сечения движущегося потока жидкости или газа есть величина постоянная и равна полному давлению в этом сечении. Если принять за р - статистическое давление в определенном сечении, р - плотность среды, V - скорость в
этом сечении, Р - полное давление, то уравнение Бернулли примет вид:
P +
pV „
-— = P = const
(1)
Рис.1. Схема распределения сил при обтекании потоком профиля крыла.
Обоснование силам сопротивления Q, подъемной силы Y и их равнодействующей R образующимся при движении аппарата были даны И. Ньютоном (рис.1). При этом результирующая (равнодействующая) сила применительно к обтекаемому агрегату может быть описана уравнением:
R = K-Sce4-р-Vj-sin2 а (2)
где K - поправочный коэффициент;
Sce4 - площадь поперечного сечения агрегата;
р - плотность среды;
Vx - скорость набегающего потока;
а - угол атаки.
Определяющей антигравитационной силой в атмосфере и водном пространстве Земли является подъемная сила. Она может быть определена по уравнению
Y = K-Sce4 -р - V2 - sin3 а (3)
а сила аэрогидродинамического сопротивления движению транспортного средства может быть исчислена по формуле
Q = Kj -S-р-Vj-cosa-sin2а (4)
Вообще-то, традиционно, рассматривая схему обтекания профиля объекта в атмосфере или гидросфере (рис. 1), всегда выделяют несколько важнейших сил, действующих на объект. При этом в качестве поправочного коэффициента Ki принимают коэффициенты соответствующих сил: подъемной Су и сил сопротивления движению: от давления Одавл- Сх; от трения Отр- Ся; волновое (донное) Оеолн.
Подъемная сила Y, которая может быть исчислена по зависимости
V2
Y = CY-S- р--2
(5)
где СУ - коэффициент подъемной силы У ;
S - площадь поверхности обтекаемого тела ЛА; р - плотность среды;
- скорость невозмущенного набегающего потока.
Она образуется за счет разности давлений среды на верхней и нижней поверхности ЛА.
Сила веса Р, соотношение которой с подъемной силой У должно всегда описываться неравенством
Р << У.
Движение транспортного средства осуществляется как правило движущей силой Рдв от двигателей
или как инерционная сила.
Силы сопротивления движению могут быть: от
давления Qдaвл, от трения Qтр и волновое (донное) сопротивление Qволн, которые определяют полное
аэрогидродинамическое сопротивление Q транспортному средству (ТС).
То есть тогда сила сопротивления движению (ТС) представляется тремя составляющими [4]
Q = ^авл + ^р + Оолн, , (6)
где
К2
Qдaвл = Сх-Бм- Р-^ (7)
Здесь CX - коэффициент лобового сопротивле-
ния;
V, - скорость набегающего потока;
р - плотность среды;
$м - площадь миделевого сечения аппарата.
Qтр = СК^Л1А-Р-С (8)
где Ск - коэффициент полной аэродинамической силы;
$'Л/А - площадь поверхности аппарата, описываемая потоком.
По Фруду Qволн (донное) может быть определено по формуле
К2
QeOOH
(9)
Ч ' / А
где q - скоростной напор.
Атмосфера и аквасфера Земли имеет множество слоев, окутывающих ее поверхность.
Это касается не только ЛА, подводных и надводных судов, но и ТС перемещающихся по поверхности Земли: автомобилей и железнодорожного транспорта. Причем для них появляются дополнительные силы, требующие увеличения двигательной тяги в движении, так как взаимодействия колеса ТС с поверхностью дороги или рельса можно представить схемой на рис.2. здесь величина силы движения ТС (Рдв тс) определяется из формулы
Рдв k=R Crk cos a (~280) [5],
где R- сила реакции от крутящего момента на валу колесного привода ТС;
CRK- коэффициент трения качения.
Таким образом необходимая сила движения колесного транспортного средства при трогании с места должна быть увеличена примерно на 30% по сравнению с бесколесным ТС.
Не секрет, также, что эти обстоятельства ограничивают скорость движения таких ТС, рубеж которой специалисты определяют в пределах 350-450 км/час. К тому же волнистость и шероховатость покрытий дороги или рельсов значительно влияют на скорост-
О В
I»
£
55 П
п
н
9
7
о ы
а
а
«
а б
ную характеристику. С одной стороны, для эффективного использования движущей ТС силы необходимо хорошее сцепление колеса с дорогой, и для этого приходится прижимать колесную систему к поверхности дорожного или рельсового покрытия либо за счет увеличения веса, либо созданием отрицательной аэродинамической силы за счет специальных спойлеров, уменьшением просвета между днищем ТС и поверхностью дороги и т.д. Сейчас при проектировании любого ТС без аэродинамических продувок не обходится. Правда имеются технические решения движений в безвоздушном пространстве- в космосе или с в трубе с вакуумом.
Рис.2. Схема определения сила Рдв ТС колесного типа.
Но, если рассматривать конструктивные компоновки ЛА, подводных аппаратов и наземных транспортных средств, перемещающихся в воздушной, водной и космической средах, то можно выделить определенные типовые формы агрегатов, из которых они формируются: цилиндр, для фюзеляжных агрегатов, крыло для обеспечения подъемной силы и управления ЛА по крену и тангажу в воздушной среде и под водой. Причем чем больше количество таких агрегатов, скомпонованных в конструкции ТС, тем большая суммарная сила сопротивления возникает при его движении и, следовательно, требуется большая сила тяги на его продвижение в среде.
Сравнение значений С„ на рис. 3 показывает,
X
что наиболее приемлемыми, для использования являются три формы: диск- Су — 0,08 , крыло при
X
обтекании воздушным потоком со скоростью V с
ж
острого носка (Су — 0,2, рис. 4 д)) и крыло при
X
обтекании потоком со скоростью Vж со стороны закругления (на рис. 4 в) Су — 0,1). Остальные фор-
X
мы значительно увеличивают С у и тем самым не
X
нашли применения в практике. Здесь надо отметить, что в конструктивном исполнении многих аппаратов цилиндрические, конические и бочкообразные формы применяются с направлением обтекания вдоль оси наравне с крыльевыми, а для космических ЛА, также и сферические, как правило, для возвращаемых модулей. Такое же формообразование внешних обводов ТС также присуще для подводных, надводных и наземных средств передвижения.
Рис. 3. Коэффициенты лобового сопротивления наиболее употребимых геометрических форм обводов ЛА.
Анализ аэродинамических характеристик (см. рис. 3) и в работах [1, 2, 4] показывает, что наименьшую силу сопротивления движению ТС в атмосфере Земли, под водой и по ее поверхности на скоростях от 0 до 400 км/час по коэффициенту Сх создают диск, тела вращения, составленные из сферы и конуса, конуса и цилиндра, с осями, расположенными вдоль оси движения потока Vж. На практике в формообразовании
ТС используют сферу, конус и цилиндр и для обеспечения подъемной силы или эффективного управления по крену или тангажу крыльев, вертикальное и горизонтальное оперение. А также различные средства механизации: закрылки, предкрылки, интерцеп-торы и т.д.
Сравнительны анализ применимости основных типовых геометрических форм по видам ТС показывает (табл. 1), что в их формообразовании участвуют во всех видах транспорта в основном цилиндр и конус, сфера при описании внешнего облика ЛА и подводных судов, крыло только в ЛА и мало используется для подводных лодок и подводных судов (на подводных крыльях и при формообразовании средств механизации- рулевых лопастей). Плоскости применяются в трех видах ТС: ЛА, надводные суда, автомобили и поезда. Дискообразная форма в полном виде во всех видах ТС практически не применяется. Этот парадокс вначале истории развития ТС наземного. Воздушного и подводного движения обосновывался экономическими соображениями трудоемкости изготовления; хотя в надводных судах некоторые типы тарельчатых конструкций были использованы, но не активно. В тоже время надо признать, что устойчивость тарельчатого плавающего средства, даже овальной формы, гораздо больше чем у продолговатых (вытянутых по длине ТС) и в старых конструкциях подводных судов дискообразная форма использовалась.
Таблица 1
Таблица применяемости основных типовых геометрических форм по видам ТС.
Вид ТС Виды с эорм ТС
Сфера Цилиндр Конус Плоскость Крыло и его модификации Диск
ЛА + + + + + -
Подводные суда + + + - в малой степени -
Надводные суда в малой степени + + + в малой степени -
Автомобили в малой степени + + + в малой степени -
Поезда - + + + - -
Явление интерференции у ЛА наиболее сильно проявляется в местах стыка крыла, оперения, мотогондол и других выступающих частей с фюзеляжем, а так как скорости обтекающих эти элементы ТС потоков будут разные, то в их стыках возникают завихрения, которые приводят к срыву пограничного слоя, образованиям скоса потока, перетеканием потока с нижней поверхности на верхнюю, приводит к увеличению Сх вр на 10 -^12% . У подводных и надводных судов при увеличении скорости движения в жидкости происходит образование каветационных пузырьков, или каверы, которые также увеличивают сопротивление ТС. Движения по воде и под водой, также увеличивают значение характеристик обтекания аппаратов по сопротивлению движению и довольно значительно, что создает необходимость применения повышенных мощностей двигательных систем и другие неприятности.
Таки образом для уменьшения влияния интерференции и кавитации, а также всего вредного сопротивления очевидно, целесообразно применить ряд конструктивных усовершенствований и приемов, улучшающих обтекание:
1. Максимально отказаться от выступающих элементов (конструкции крыльев, оперений, выступов, надстроек и т.д.)
2. Повысить качество наружных поверхностей-применить ламиниризацию поверхности (полирование, сдув или отсос пограничного слоя, ионизацию поверхности и потока для подводных и надводных судов материалов на поверхностях, уменьшающих кавитацию и полное гидродинамическое сопротивление и т.д.).
3. Применить герметизацию внутренних объемов ТС и др.
Подобная оценка аэро и гидродинамических свойств ТС и подводных объектов может быть проведена и для форм космических аппаратов (КА), полеты и движения которых при прохождении плотных слоев атмосферы.
Тем более значение изучения этих вопросов для аппаратных перемещений в безвоздушном пространстве космоса становится все более насущным. Наибольший интерес может иметь вопрос о сопротивлении движению космических аппаратов при скоростях уже 100,0 ^ 150,0 тыс. км/сек и тем самым вызывать переход к обтекаемым формам КА. Здесь опять можно констатировать несостоятельность крыльевых и звездообразных конструкций для таких полетов. Конечно, эти вопросы должны быть исследованы и
тогда могут быть найдены оптимальные формообразования КА, тем более, что существует множество других факторов, влияющих на межпланетные и межзвездные полеты: динамика температуры окружающей среды, случайные полевые энергетические и массовые сгустки пространства, кометы и их сопровождающие поля, астероиды, световое и гравитационное воздействие звездных и планетарных систем и др.
Заглядывая вперед. Можно предположить, что дискообразные и шарообразные конструкции и их модификации здесь опять предпочтительны. Как по отражающим свойствам противостояния воздействиям различных факторов, так и по конструктивным эффектам жизнеобеспечения и функционирования КА с экипажем и без него.
В начале ХХ века при становлении авиации применялись дискообразные формы, но только крыльев у самолетов. Но из-за трудностей управления такие формы остались в экспериментальных образцах, а вся авиационная техника пошла по пути использования крыльевых систем сначала би- и триплановых конструкций, а затем и моноплановых с большими удлинениями и применением цилиндрических фюзеляжей и хвостового оперения в виде крыла. Низкие характеристики полета подобных конструкций мы разобрали выше.
Надо отметить, что в ряде стран мира, начиная с 50- 60 х годов прошлого века, разрабатывались конструкции летающих колец и кольцевых платформ, средств на воздушной подушке, экранолетов, автожиров, вертолетов, гибридов автожира и аэростата, аэростатов, которые не обладали летно- техническими характеристиками дисколетов, но решали многие народно- хозяйственные задачи.
Дискообразные аппараты по сравнению с крыльевыми имеют большие преимущества: малое сопротивление полету; вертикальный взлет и посадка; высокие прочностные качества конструкции; высокая степень использования внутренних объемов для перевозки пассажиров и грузов; особенно больших габаритных размеров;
повышенная безопасность и в полете, и при аварийных посадках;
высокая скороподъемность 300-350 км/ч; удобство при в аэродромном обслуживании: прежде всего необходимость использования громадных территорий аэродромов и взлетно- посадочных полос;
высокий потолок полета, и возможность выхода на орбитальный полет;
высокие скорости (до 700км/ч) горизонтального полета уже при энерговооруженности 40-50 х годов (надо отметить, что это расчетные показатели) и т.д.
Многие из этих превосходных характеристик даже для современных ЛА можно отнести как достижимые и для других ТС: подводных и надводных судов, железнодорожного транспорта. В том числе и надземного, автотранспорта различного назначения.
Несмотря на то, что в конце войны по приказу руководителей третьего Рейха большинство дискообразных аппаратов и ракет ФАУ было взорвано или разгромлено союзниками с воздуха, множество документации по ним попало в руки американцев и частично СССР. Сразу после второй мировой войны в США, Канаде, Англии и СССР начались работы по
О R
I»
£
55 т П
7
ы
а
s
«
а б
разработкам дискообразных аппаратов. Этому способствовало ряд факторов.
Во- первых получение немцами в конце 30-х годов прошлого столетия в результате экспедиции на восток сведений из изотерических знаний о предыдущих высокоразвитых цивилизациях на Земле [6]. Проанализированные материалы и результаты анализа затем оказались в странах запада.
Во- вторых в древнеиндийских эпосах «Махабха-рате» и «Рамаяне» описаны летающие аппараты «Виманы», управляемые «властителями и Всемогущим богами, пришедшими с Небес на Землю». Описание конструктивных исполнений и инструкции по полетам таких аномальных аппаратов (АА) приведены в книге «Виманика шастри» («Наука о летном деле»). В ней приведены многие технические детали и характеристики летательных свойств аппаратов, к некоторым из которых современные технологии полета только подошли и частично могут быть реализованы человечеством в настоящее время [1].
К таким свойствам и характеристикам можно отнести: изменения формы и размеров ЛА в полете; создание полевой защиты видимого изображения аппарата, и объемного защитного поля от механических средств нападения; генерация излучения, парализующего и уничтожающего биологические структуры, подробное и точное знание пилотом «виманы» расположения и движения множества целей вокруг аппарата, в том числе и знание двигательных функций, выполняемых пилотами этих целей, если они являются ЛА. Очевидно имеется множество технических особенностей, которые не раскрыты и не описаны специалистами в этих АА [6].
К этим превосходным летным и эксплуатационным качествам дисколетов в настоящее время необходимо добавить еще и современные разработки по новым принципам формирования энерговооруженности в летательной технике.
Здесь надо отметить ряд новых разработок двигателей, которые были применены для дискообразных аппаратов, генераторов высоковольтного напряжения Дж. Серла и затем усовершенствованы, а также результаты [7, 8] в решении проблемы антигравитации с помощью керамики с высокотемпературной (30-35 К) сверхпроводимостью, позволяет говорить о возможностях человечества в создании универсальных средств передвижения в трех средах его существования [9]. Переход к дискообразным ТС для всех видов транспортных средств на дискообразную форму создает множество преимуществ развития ТС по сравнению с традиционными направлениями совершенствования в каждом из их видов. Наиболее важными преимуществами является:
1. Повышенные аэрогидродинамические характеристики движения любых Тс и возможности дальнейшего их совершенствования.
2. Методология применения дискообразной формы в конструкциях ТС буквально всех видов позволяет сократить затраты и время проектирования и изготовления ТС различного назначения за счет типизации формообразований корпусов ТС, выдвигающихся в различных средах, их моделей при виртуальном проектировании. При изготовлении упрощается технологическая подготовка производств. появляется возможность унифицировать конструктивно- технологические решения двигательных систем.
3. Сокращаются затраты на строительство аэродромов для вертикально- взлетающей и садящейся летательной техники, на создание причалов и портов для транспортных систем как подводных, так и надводных судов, а том числе и стартовых площадок для КА.
4. Повышается безопасность эксплуатации ТС всех видов.
5. Появляется возможность создания летающих колесных ТС ( по ряду сведений уже проектируются летающие автомобили индивидуального пользования- бытовые «летающие тарелки»).
6. Наконец- то становится возможным в колесных ТС (автомобили, поезда) отказаться от колесного привода сократив энергетические и финансовые затраты на их движение, повысив скоростные возможности и безопасность движения; разгрузив дорожно-транспортную обстановку в городах и автомобильных трассах.
7. Закладываются основы создания трехсредных ТС наземного, воздушного. подводного и космического базирования и пребывания- давняя мечта техногенного человечества.
Ъагои
Tiíefmffnm f
Зерырр /шлу5д Hux'ftítH nan^Sa.
Tpoftcnsftmiu flthentfug /¿//тшт^рю/«"
Рис.4. Эскиз поезда на воздушной подушке
Рис.5. Эскиз дискообразного вертолета
Рис.6. Схемы расчетных нагрузок дискообразного а) и цилиндрического б) подводных аппаратов.
Уже сейчас можно набросать эскизные проекты некоторых видов перспективных ТС:
- эскиз поезда на воздушной подушке- «мечта К.Э. Циолковского» (рис. 4), позволяющий достигнуть скорости 700 км/час и повысить безопасность транспортировки пассажиров и жителей близлежащих городов и поселений;
- эскиз дискообразного вертолета (рис. 5) с высокими летно- техническими характеристиками и повышенной безопасностью при аварийных ситуациях посадки;
- эскиз оболочки с схемой нагрузки подводного дискообразного аппарата для глубоких погружений (более 1000м) (рис. 6а)) и транспортирования грузов и людей. Значительный выигрыш в объемах и прочности внутренних помещений по сравнению с цилиндрической формой подводного ТС (рис. 6б));
- эскизы и фотографии дискообразных ЛА, которые были созданы в фашистской Германии и после Великой отечественной войны в США приведены в работах [1, 2].
Литература
1. Мельников В.П. Аномальные ЛА. Аналитические исследования. Научн. монограф. изд. М.: ООО «Буки Веди», 2012-320с.
2. Мельников В.П., Рогожин К.Л., Иванов Ю.Ф. Перспективы модернизации ЛА и транспортных средств для применения в различных средах функционирования. Россия: Тенденции и перспективы развития. Ежегодник. Вып.7 / РАН ИНИОН. Отд. научн. сотрудничества и междунар. связей; Отв. ред. Ю.С. Пивоваров.- М.: 2012-4.2-с.61-70.
3. Чаплыгин С.А. Работы по индуктивному сопротивлению крыла, «Прикладная математика и механика», т. V, вып. 2, 1941.
4. Бураго Г.Ф. Приближенная теория крыльев малых удлинений, Труды научно- технической конференции ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1944.
5. Мещеряков И.В. В мире космонавтики. Научно-популярное издание. - Н. Новгород. «Русский купец». 1996.
6. Сидоров Г.А. Хронолого- эзотерический анализ развития современной цивилизации. Истоки знания. Научно- популярное издание. Книга 2.-М.: «Академия управления», 2009, -532с.
7. Brown T.T. «The Wizard of Electro- gravity» Saga UFO Report, may 1978.
8. Косыев В.Я. «Магнитогравитационный конвертор Серла», Sci Tec Library.com, 2002.
9. Гудилин Е.А. Олейников Н.Н. //Сверхпроводимость: исследования и разработки, 1995, №5-6, с.81-115.
Innovative approach in forming of shapes transport
systems of the future Melnikov V.P., Nazarov A.V. MAI
Possibilities of application of innovative approach on the basis of typology in the choice of forms of all forms of transport systems with the characteristics of advanced building effective means in the application of various areas of AIRCRAFT, surface ships, submarines, cars, trains etc. in relation to the possible symbols and values of the use of modern technologies of earth community. Disclosed substantiation of the hy-drodynamic properties of the most promising forms of transport systems. Will siruvani application of the basic model of geometric shapes depending on the types of transport systems. A comparative analysis of the possibilities of using as a prospective means of transportation disc-shaped devices of vertical takeoff and landing, and provides some preliminary designs of trains, hovercraft, helicopter with high flight characteristics and safety, as well as to create constructive strength of certification schemes the application of shaped for underwater APPA-preparations with great immersion depth, compared to the cylindrical shape. Dan Ana-Liz the historical constructive solutions of Nazi Germany, modern achievements-tions of the United States and Russia. Key words. Innovative approach, a vehicle aerogelogia economic theory, typology, disc-shaped device. References
1. Melnikov V. P. Anomalous LA. Analytical research. Scientific.
mono-graph. ed. M.: OOO "Buki Vedi", 2012-320c.
2. Melnikov V. P., Rogozhin, K. L., Ivanov Yu. f. Prospects of
modernization of aircraft and vehicles for use in various environments of operation. Russia: Tendencies and prospects of development. Yearbook. Vol.7 / RAS INION. Otd. scientific. cooperation and international. communications; editor. edited by Yu. s. Pivovarov.- M.: 2012-4.2-pp. 61-70.
3. Chaplygin S. A. Works on the inductive resistance of a wing,
"Applied mathematics and mechanics", vol. V, vol. 2, 1941.
4. Brown, G. F. an Approximate theory of wings of small aspect
ratios, proceedings of the scientific - technical conference vvia im. N. E. Zhukovsky, 1944.
5. Meshcheryakov and I. V. In the world of Astronautics. Popular
scientific edition. - N. New town. "Russian merchant". 1996.
6. Sidorov GA Chronological esoteric analysis of modern civiliza-
tion development of the organization. The origins of knowledge. Popular scientific edition. Book 2.-M.: "Academy of management", 2009, -532с.
7. Brown T. T. "The Wizard of Electro - gravity" Saga UFO Re-
port, may 1978.
8. Kasiev V. Ya. Magnetogravitational Converter Searle", Sci Tec Library.com, 2002.
9. Gudilin E. A. Oleynikov N. N. //Superconductivity: research
and development, 1995, No. 5-6, pp. 81-115.
О R U
£
R
n
9
7
