На главнуюНаписать намenglish version
Одна из линий развития движителя летательного аппарата
Николай Шпаковский

9 июня 2003
Варианты движителя летательного аппарата, выстроенные в соответствии с определенной тенденцией развития.

Развитие любой технической системы подчиняется объективным законам. Части технических систем развиваются согласно определенным тенденциям развития [1]. Попробуем выяснить, какая основная тенденция просматривается при развитии движителя летательного аппарата, если проанализировать его линию развития, начиная от первых аэропланов и заканчивая космическими кораблями.
Вариантов движителей летательных аппаратов различного принципа действия существует великое множество. Например, пропеллер. В технической литературе описаны воздушные винты различной формы, размеров, с разным количеством лопастей, выполненные из разных материалов, с регулируемым и нерегулируемым углом установки лопастей и т.п. А еще реактивные двигатели самолетов, двигатели космических летательных аппаратов... Чтобы разобраться в этом многообразии, полезно построить «Дерево Эволюции» движителя летательного аппарата. В рамках данной статьи мы опишем построение одной из линий этого дерева.

Планер летает без мотора. В невозмущенном воздухе его движет сила тяжести, а крылья обеспечивают опору при скольжении с невидимой воздушной горы. При наличии восходящих потоков подъемную силу крыльям планера дает вертикальный ток воздуха.
Самолет отличается от планера наличием двигателя. Двигатель активизирует движитель воздушный винт или реактивную струю, которые и толкают летательный аппарат вперед. При полете в атмосфере крылья трансформируют скорость движения летательного аппарата в подъемную силу, удерживающую его в воздухе.

То есть, движитель это то, чем летательный аппарат при полете отталкивается от окружающего пространства.

Традиционным движителем первых аэропланов был воздушный винт, пропеллер, представляющий собой одну или несколько профилированных косопоставленных лопастей. При вращении пропеллера лопасти врезаются в воздух и отбрасывают его назад, устремляя летательный аппарат вперед.


Если выстроить некую последовательность вариантов выполнения пропеллеров, то исходное место с точки зрения законов эволюции будет занимать однолопастный вариант. Устроен он просто одна профилированая лопасть и короткий массивный противовес. Изготовить и статически отбалансировать такой пропеллер просто надо отформовать лопасть и правильно подобрать вес противовеса. Но выполнить его динамическую балансировку невозможно, поскольку однолопастный пропеллер при вращении всегда будет давить на воздух одной, ничем не уравновешиваемой лопастью [2]. Это довольно экзотическая конструкция, и применяется она только для маломощных самолетов-мишеней и авиамоделей, имеющих высокооборотные двигатели.

Куда более широко распространен двухлопастный пропеллер. Он, наоборот, полностью уравновешивается динамически, но требует тщательной статической балансировки и абсолютно одинаковой формы лопастей.
Повышение мощности двигателя требует соответственного повышения эффективности воздушного винта. Такие ресурсы, как повышение скорости вращения и увеличение диаметра винта, имеют ограничение. Уже про частоте вращения 2000 оборотов в минуту концы лопастей винта диаметром 3 м движутся со сверхзвуковой скоростью. Это вызывает срыв воздушного потока на конце лопасти, эффективность винта падает, а повышение ее при помощи других методов сопряжено с известными трудностями. С увеличением диаметра винта увеличиваются габариты летательного аппарата, нужно удлинять стойки его шасси для обеспечения необходимого зазора с поверхностью земли при взлете и посадке. Одним из способов частичного разрешения этого противоречия является крыло типа «обратная чайка».
Наиболее радикальным способом повышения эффективности пропеллера является увеличение количества его лопастей. Следующий шаг нашей линии многолопастный пропеллер, имеющий несколько лопастей (четыре, пять, максимум, восемь). Количеству лопастей пропеллера тоже есть предел. Если установить их слишком много, лопасти начинают мешать друг другу, «затеняют» одна другую, и эффективность винтового движителя падает.

Напрашивается следующий шаг: если нельзя увеличить диаметр пропеллера и количество его лопастей, то нужно установить их в два ряда. Казалось бы, мы можем поднять эффективность вдвое, но не все так просто! Если установить на валу двигателя два многолопастных пропеллера непосредственно друг за другом, то задний будет работать в значительно худших условиях, чем передний. Лопасти заднего пропеллера стараются дополнительно ускорить и закрутить уже возмущенный воздух, но больше тормозят его, чем разгоняют.
Чтобы улучшить эффективность работы двухрядных винтовых движителей, их стали устанавливать с разносом на двух концах вала мощного двигателя сзади и спереди.  Такое разнесение уменьшает аэродинамическое «затенение» вращающихся лопастей и повышает эффективность   винтомоторной группы летательного аппарата, но меньше, чем хотелось бы.

Эффективность двухрядных пропеллеров можно существенно повысить, если заставить их вращаться навстречу друг другу. Воздух, закрученный лопастями первого пропеллера, попадает на лопатки второго не вскользь, а с необходимым упором и интенсивно разгоняется.

Одна лопасть, две... четыре, два ряда лопастей... Количество лопастей винтового движителя растет. Похоже на то, что прослеживается тенденция, известная в ТРИЗ, как «Моно-би-поли», но не будем торопиться.

В сороковых годах прошлого века скорость винтовых летательных аппаратов достигла своего предела. Один из самых быстрых винтовых самолетов P-51 Mustang мог развить в горизонтальном полете скорость немногим более 700 км/ч. Дальнейшее повышение скорости стало возможно за счет применения реактивного принципа образования тяги.

Переходным вариантом от винтового движителя к реактивному является газотурбинный принцип создания тяги. Тяга создается совместным действием лопастей пропеллера и реактивной струи, образуемой турбиной, вращающей пропеллер. В таком двигателе, кроме основного пропеллера, работает большое количество мелких лопаток, расположенных в турбине. Строго говоря, лопатки турбовинтового двигателя не участвуют в создании тяги, а служат для вращения пропеллера и подачи воздуха в камеру сгорания. 
Следующий вариант движителя летательного аппарата реактивная струя. Ее можно получить, если использовать турбореактивный двигатель, широко распространенный в современной авиации. В таком двигателе внутренние лопатки лишь ускоряют набегающий поток воздуха и подают его в камеру сгорания. Тяга двигателя возникает за счет резкого расширения воздуха при сгорании топлива и образования реактивной струи. В собственно реактивном двигателе вообще нет никаких лопаток. Движителем также является реактивная струя, образующаяся при сгорании топлива в смеси с воздухом или окислителем.

Дальше следует переход на уровень, когда движителем летательного аппарата являются части атомов ускоренный поток ионов. В качестве рабочего тела в ионном двигателе выступает ионизированный газ, разогнанный электростатическим полем. Ионный двигатель устроен следующим образом.    
 Катод бомбардирует топливо (например, ксенон) электронами. Они выбивают электроны из атомов ксенона, оставляя положительно заряженные ионы (Xe+). Ионы ускоряются заряженными решетками, образуя высокоскоростную реактивную струю, и разгоняют летательный аппарат. Источником энергии для создания электростатического поля на маломощных двигателях служат солнечные батареи, а на более мощных пассивные ядерные генераторы, которые уже устанавливаются на орбитальных спутниках [4].

Приблизительно на этом же уровне иерархии находится и плазменный двигатель, в котором тяга создается истеканием плазмы. Плазма образуется при облучении твердого вещества (топлива) мощными импульсами лазерного излучения или импульсными электронными пучками. Разгоняется плазма за счет силы Ампера совместным действием скрещенных электрического и магнитного полей.
Наш движитель становится все мельче и мельче, частицы, разгоняющие летательный аппарат, перешли на уровень молекул, атомов и их частей.

Логическое завершение этой цепочки: тяга, необходимая для разгона летательного аппарата, создается направленным истечением фотонов, которые может испускать фотонный двигатель. Получить поток фотонов приемлемой мощности на данном этапе развития техники невозможно, но проекты двигателей, использующих для разгона отраженный поток фотонов, так называемое «световое давление», известны и успешно реализуются. Это, в первую очередь, космические парусники, движимые «солнечным ветром». В последнее время проводятся опыты по разгону космических летальных аппаратов лучом лазера.


Итак, что у нас получается?
Во второй половине линии развития движителя летательного аппарата развитие явно идет в сторону уменьшения, дробления, элементов, которыми летательный аппарат отталкивается от пространства: «Мелкие частицы и молекулы => части атомов => фотоны». В то же время набор преобразований в первой части этой линии сильно напоминает тенденцию «Моно-би-поли»,: «одна лопасть => две лопасти => много лопастей => два ряда лопастей».
Так что же, законы не работают или мы упустили что-нибудь? Давайте разбираться.

Как отличить «Моно-би-поли» от «Дробления»?
И зачем?

Ответим сначала на второй вопрос. При анализе линий развития, составляющих «Дерево Эволюции», часто бывает так, что известно только несколько вариантов трансформации объекта или системы. И очень важно правильно определить, по какой тенденции они выстраиваются, чтобы корректно заполнить пробелы и довести линию до логического завершения.

А отличить «Моно-би-поли» от «Дробления» просто:

Моно-би-поли Дробление
1. Количественные параметры, характеризующие выполнение фукции элемента (производительность, надежность и пр.) растут пропорционально числу вводимых элементов и систем. 1. Количественные параметры, характеризующие выполнение фукции элемента (производительность, надежность и пр.) остаются постоянными.
2. По ходу развития количество элементов растет при сохранении или увеличении их размеров и массы. 2. По ходу развития количество элементов растет при уменьшении их размеров и массы.
3. В конце линии наблюдается переход к свернутой поли-системе (моносистеме нового уровня). 3. В конце линии наблюдается переход на микроуровень.


Проанализируем ситуацию с учетом полученной таблицы.
В том случае, когда увеличение числа лопастей вызвано ростом мощности двигателя самолета, будет уместным следующий ход рассуждений. Если при переходе к спортивному самолету с более мощным двигателем, мы применим однолопастный винт, то для обеспечения оптимальной загрузки двигателя он должен быть черезмерно большого диаметра. Для обеспечения требуемого диаметра мы должны мысленно разделить, раздробить одну лопасть на две части, образовав двухлопастный винт. При переходе к самолету с еще более мощным двигателем мы должны точно также раздробить гипотетический огромный двухлопастный винт, преобразовав его в четырехлопастный приемлемого размера. И так далее.... 

Следовательно:
1. Сила тяги пропеллера по отношению к мощности двигателя летательного аппарата остается в допустимых пределах постоянной и не растет с увеличением числа лопастей.

Когда мощность двигателя не изменяется, то для обеспечения его оптимальной загрузки лопасти винта должны становиться все меньше и меньше, по мере увеличения их числа.

Следовательно:
2. Размер элементов пропеллера (лопастей) уменьшается с увеличением их числа.

В конце второй части линии развития летательного аппарата явный переход на микроуровень. Это является дополнительной подсказкой и позволяет с некоторой долей допущения принять, что:
В описанной линии развития движителя летательного аппарата превалирует тенденция «Дробление».

Сведем результаты в таблицу: 

Можно провести блиц-анализ полученного сквозного примера, попытаться заполнить пустые клетки, поискав аналогии в литературе и немного поразмышляв.
Например, гранулы. Как применить их для создания движущего импульса? В литературе есть шуточный пример, когда капитан Врунгель [5] на гонках разгонял свою яхту, стреляя пробками из приставленных к корме бутылок шампанского. Подобная аналогия, перенесенная в условия космоса, дает подсказку для следующей идеи: использовать для дополнительного разгона космического корабля отстрел использованных ступеней.
Следующая пустая клетка таблицы: жидкость. Здесь просматривается возможность использовать ее совместно с воздушным винтом самолета. Если разбрызгивать в зоне вращения винта немного воды, образуется туман, и тяга винта резко возрастает. Конечно, возить с собой воду накладно, но такой эффект можно использовать кратковременно, например, для ускорения разгона самолета при взлете.
Вакуум. Тут речь может идти скорее о чем-то тянущем, расположенном впереди летательного аппарата. Например, перед ракетой, движущейся в атмосфере, сжигают топливо. Образуется область пониженного давления, позволяющая резко снизить сопротивление воздуха [6].

Нам не удалось абсолютно корректно заполнить пустые клетки, топливные баки «Шаттла» мало похожи на гранулы. Но это вовсе не значит, что ступеней космического корабля не станет в будущем значительно больше, а размеры их существенно не уменьшатся.

Автор выражает благодарность Георгию Северинцу за помощь в подготовке данной статьи.


Список литературы.
1. Альтшуллеp Г.С., Злотин Б.Л., Зусман А.В. ПОИСК НОВЫХ ИДЕЙ: ОТ ОЗАРЕНИЯ К ТЕХНОЛОГИИ (теория и практика решения изобретательских задач), Кишинев, «Каpтя Молдовеняскэ», 1989.
2. Paolo Balocchi. Study of single-blade propulsion system retractable engine sailplanes. Alisport Srl, Italy. http://www.alisport.com/pdf/ostiv_IN.pdf
3. Турбовтинтовой двигатель НК-12. http://ephf.ispu.ru/avio/nk-12.htm http://ephf.ispu.ru/avio/nk-12.htm
4. Ионный двигатель. http://www.warstar2000.narod.ru/articles/ionengine.htm
5. А. Некрасов. Приключения капитана Врунгеля. "http://www.03www.ru/skazki/s401.htm
6. Leonard David, «On Wings Of Light», New Scientist 1998, N 21165

 

Вторая формула ТРИЗ / Семинар по обмену опытом (ТРИЗ коллоквиум №2) / Семинар по обмену опытом (ТРИЗ коллоквиум №1) / Эволюция технологий обработки почвы / Нари, нари, генари... / ТРИЗ и Six Sigma – друзья или соперники?  / Использование метода ФСА+ТРИЗ для совершенствования очесывающего зерноуборочного устройства / Беда в Мексиканском заливе (продолжение) / Беда в Мексиканском заливе / Этажи ТРИЗ / Алгоритм работы с изобретательскими проектами / История Галльской жатки  / Эмоциональная Toyota  / Безразмерные кроссовки / Переход на микроуровень одна из основных тенденций развития дисплея  / Преобразование структурно подобных элементов технических систем  / «Медный Всадник»  / ТРИЗ-приемы для арт-композиции / Человек и Техническая Система (часть II)
Идеи и решения / Инструменты и методы / Решённые задачи / Старые и новые байки / Эволюция
Алгоритмы решения задач / Деревья эволюции / Идеальный конечный результат / Приемы Альтшуллера / Противоречие / Ресурсы / Физические эффекты / ...
Автомобили / Безопасность / Дисплеи / Материалы с особыми свойствами / Медицина / Приятные мелочи / Юзабилити / ...
Обзорный семинар по ТРИЗ / Семинар «Прогнозирование как метод управления бизнесом» / Семинар «Технология обхода патентов»

Copyright © 2002-2019 «Генератор»
Авторы сайта Н.Шпаковский, Е.Новицкая