Способ и система для создания потенциала по поверхности тела

Изобретение относится к авиации и водному транспорту и касается управления воздушными, надводными и подводными судами посредством гидродинамического эффекта для создания потенциала по поверхности судов. При реализации способа создания потенциала по поверхности тела используют потоки жидкости под давлением из сопел, отверстий или прорезей, по меньшей мере, одной трубы по одной или более поверхностям тела. При этом жидкость под давлением нагнетают в виде потоков из сопел, отверстий или прорезей по одной или более поверхностям тела от передней кромки, создавая потенциал давления по поверхности тела между передней кромкой и задней кромкой. При этом вращают, по меньшей мере, одну трубу вокруг ее оси. Система для создания потенциала по поверхности тела с использованием потоков из сопел, отверстий или прорезей по одной или более поверхностям указанного тела для приведения этого тела в движение, управления им или маневрирования имеет, по меньшей мере, одну трубу с соплами, отверстиями или прорезями в стенке трубы, которая расположена вдоль одной кромки тела, тем самым определяя его переднюю кромку, от которой потоки, проходящие рядом с по меньшей мере одной искривленной поверхностью тела, снижают давление по этой поверхности и создают потенциал относительно его противоположной поверхности произвольной формы. При этом, по меньшей мере, одна труба выполнена вращаемой вокруг своей оси. В такой системе целесообразно поверхность, по которой проходят указанные потоки, выполнять выпуклой и с одной кривизной. Трубы могут быть защищены вертикальным телом, размещенным перед трубами и параллельно им. Тело может быть присоединено к воздушному судну, при этом сторона повышенного давления тела оснащена пластинами, шарнирно прикрепленными к их передней кромке, движение которых демпфируется амортизаторами. Изобретение позволяет снижать носовую волну и устранять динамические потери, связанные с движением винта, при повышении силы для осуществления маневрирования и повышении его точности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Настоящая заявка относится к способу и системе, где используется гидродинамический эффект для создания потенциала по поверхности тел. Полученная этим путем сила используется для движения и маневрирования кораблей, подводных лодок, самолетов и летательных аппаратов.

Гидродинамика изучает вопросы соотношения сил между потоком жидкости или газа и смежным потоком жидкости или газа или телом. Поток передает силу в соответствии с его скоростью и массовой плотностью. В дальнейшем для краткости в данной заявке слово «жидкость» будет подразумевать «жидкость или газ».

В потоке или на его периферии давление уменьшается так, что общая энергия потока и обтекающей поток жидкости остаются постоянными. Этот принцип был описан Д. Бернулли (1).

Энергия потока эквивалентна потенциалу разности статических давлений. Давление измеряется в паскалях, а энергия потока составляет 1/2ρv², также в паскалях. Их эквивалентность видна из следующего: Ра=Nm^-2=Jm^-3=W/m³s^-1. Гидродинамический эффект является функцией массовой плотности жидкости и квадрата ее скорости.

Поток можно представить в виде вектора давления. Отсюда следует, что разность давлений передается в перпендикулярном к потоку направлении, создавая силу ср. ▿×Е=-∂В/∂t. (Дж. Максвелл). Мера обмена энергией вектора берется в виде интеграла взаимодействия по данному времени.

Гидродинамический принцип отличается от кинетического принципа, описанного в трех законах Ньютона. При использовании гидромеханики в технике необходимо иметь в виду разную природу этих двух принципов, так как они накладывают разные ограничения и приводят к разным техническим последствиям. Физические функции и технические элементы кинетической технологии необходимо концептуально разделять друг от друга, а также от функций и элементов гидродинамической технологии.

Сила, получаемая реактивным устройством, является произведением массы на ускорение, т.е. F=m·а, или произведением количества массы на единицу времени и ее скорость, т.е. F=m·t^-1·v.

Сила, получаемая разностью давлений потока - это разность давления по отношению к невозмущенной жидкости, умноженная на площадь поверхности, на которую она действует. Здесь массовая плотность ρ жидкости является коэффициентом, т.е. F=Δρ·А; или F=1/2ρ·v²·А. Гидродинамическая сила является функцией квадрата скорости потока.

Весла и хвостовые стабилизаторы являются реактивными устройствами. Для технического использования кинетики жидкости необходимо установить по оси реактивное устройство для поглощения пропульсивного импульса, например пропеллер, винт, ракета, сопло или реактивный двигатель.

В том случае, когда поток используется для создания импульса посредством уменьшения давления обтекающей его жидкости, он не создает реактивную силу, так как они взаимно перпендикулярны.

Подъемная сила крыла самолета создается за счет того, что при его движении образуются два потока воздуха. Так как потоки следуют по двум сторонам крыла, они приобретают разные скорости и разные курсы. Крыло поднимается за счет разности поперечных сил потоков, которая вследствие скорости самолета является относительно небольшой разностью существенно пониженного давления, так как и сторона повышенного давления, и сторона пониженного давления подвергаются действию воздушного потока, имеющего высокую скорость.

Часть подъемной силы крыла является кинетической. Она создается вертикальной составляющей потока, вызванной углом атаки крыла, например погружение глиссера.

Пассажирские самолеты демонстрируют более низкую потребность в мощности при техническом использовании гидродинамики по сравнению с кинетикой. На старте их движущая сила составляет примерно 40 процентов от силы, которая потребовалось бы в качестве вертикальной реактивной силы, чтобы поднять самолет против ускорения силы тяжести (третий закон Ньютона). При полете самолета на высоте 11,000 м его движущая сила составляет менее 25 процентов от необходимой вертикальной реактивной силы. Это не означает, что нарушается третий закон Ньютона. Гидродинамику сложно описать точными математическими моделями. Гидродинамические силы по-разному описываются и рассчитываются в различных моделях, используемых в кинетической части гидромеханики.

Сила, рассчитываемая по этому принципу, используемому в настоящей технологии, рассчитывается с помощью циркуляционной модели как отношение реактивной силы к центростремительной силе mv²/R или по уравнению, в котором описывается принцип Бернулли. Эти три являются моделями, т.е. инструментами расчета, в то время как уравнение Бернулли представляет собой также и теорию, т.е. постулат, имеющий отношение к конкретным свойствам реальности.

На этот принцип дается ссылка в норвежской заявке на выдачу патента (3), и он является функциональным принципом запатентованного устройства (8). В применяемой на практике технологии он составляет часть функции крыльев самолета.

Этот принцип был применен в эксперименте с целью увеличения подъемной силы самолетов при низкой скорости. При использовании удлиненного сопла дополнительный поток воздуха втягивается между соплом и обдуваемой поверхностью. По сравнению с реактивной силой потока увеличение силы тяги составило 1·37 (5). Тем не менее это устройство не является оптимальным, так как более высокий кпд достигается в том случае, когда поток имеет самую высокую скорость рядом с поверхностью, например, крыла самолета. Согласно этому расчету увеличение силы тяги у пассажирского самолета составляет 2·5-4.

Оптимальное преобразование энергии для технического применения предполагает, что разные функции физических переменных конструктивно разделены, как, например, в паровой машине Уатта, где конденсатор размещен вне цилиндра. Этот принцип применяется, когда давление двигателя внутреннего сгорания преобразуется с помощью насоса в давление жидкости.

Вместо создания разности потоков пассивным образом, путем перемещения тела в жидкости, можно создать поток активным образом, путем перемещения жидкости по телу. В этом случае можно создать потенциал с помощью потока, образованного только на одной стороне тела. В этом лежит причина применения гидродинамического принципа для морских судов и для создания самолетов с такими свойствами, которыми современные самолеты не обладают.

Вода вокруг корабля в состоянии покоя находится в гидростатическом равновесии. Давление воды равно энергетическому потенциалу, т.е. Ра=Nm^-2=Jm^-3. Статическое давление на заданной глубине постоянно. Любое изменение статического давления жидкости в открытом бассейне должно быть непрямым, путем изменения динамического давления. Технически это происходит при введении потоков воды. Этот же принцип действует для самолетов и летательных аппаратов, где используются потоки воздуха.

Поток или потоки воды рядом с судном нарушают равновесие путем уменьшения локального статического давления до уровня, который рассчитывается уравнением Бернулли. Это эквивалентно уменьшению локальной силы на участке поверхности судна, который обтекается потоками, освобождая таким образом локальный потенциал прилежащей жидкости.

В сочетании с давлением невозмущенной жидкости на противоположной стороне судна поддерживаемый поток создает разность давления по отношению к потенциалу. Эта разность освобождает его потенциал, сообщая импульс судну.

Этот гидродинамически созданный импульс направлен перпендикулярно к направлению потоков. Он используется для подъема и движения.

При перемещении тела скорость на его противоположной стороне, то есть на стороне, не обтекаемой потоком, создает пониженное давление и сопутствующую силу. До тех пор пока это пониженное давление не такое высокое, как давление окружающей среды, будет иметь место результирующая сила, толкающая тело.

Описанная в заявке система представляет собой простой аппарат, который создает технический эффект путем создания разности давления в обтекающей судно жидкости, освобождая таким образом часть его потенциала, что используется для подъема или движения. До сих пор из литературных источников неизвестны работы, посвященные эмпирическим или теоретическим основам для расчета распределения энергии в жидкости, сил или эффектов. В прилагаемом к заявке списке литературы имеются работы, относящиеся к гидродинамической технологии (4, 7). Информацию, относящуюся к области изобретения, можно найти в современных учебниках, например учебники по гидродинамике, вращающимся машинам и термодинамике.

Настоящее изобретение относится к способу и системе для создания разности давления по поверхности тела путем активной подачи струй жидкости к одной или более сторонам тела, тем самым создавая область низкого давления. Разность давлений создается между областью низкого давления и противоположной стороной тела.

Способ согласно настоящему изобретению описан в пункте 1 формулы изобретения, а система описана в пунктах 2-11 формулы изобретения.

На основании устройства, описанного в работе 5, нельзя создать описанную здесь систему. Система создается косвенным образом на основании принципов гидромеханики, применяемых в современной технологии, например в крыльях самолетов, пропеллерах, винтах, насосах и турбинах. Дополнительно были использованы свойства вращающихся труб и близкого обтекания.

Обтекание создает пониженное давление по поверхности, которое вместе с давлением на противоположной стороне тела создает подъемную силу. Поддерживаемое обтекание создает импульс, используемый для движения и маневрирования. Как показано выше, этот способ лучше для создания силы, чем реактивные устройства.

Разница скорости воздуха по крылу самолета составляет 5-10%. До тех пока скорость самолета остается выше пороговой, гидродинамический потенциал разности скорости по крылу самолета будет, как показано выше, иметь более высокий кпд мощности для создания подъемной силы, чем реактивная сила.

Скорость технически созданного потока воздуха согласно представленному здесь способу будет ограничена скоростью звука даже для самолетов, имеющих довольно низкую скорость. Таким образом, можно будет создать большую по величине удельную подъемную силу. В пределах данного ограничения подъемная сила будет зависеть от используемой мощности и способствовать увеличению скорости самолетов.

Изменяя угол атаки тела, можно изменять одновременно его движение и подъемную силу. Так как кпд реактивных двигателей не очень высокий, движение наклоненного, обтекаемого струей несущего тела по горизонтальному вектору будет более эффективным. Это позволит самолетам летать на низкой высоте и с небольшой скоростью. Этим будет обеспечено преимущество маневрирования тел, наклоняемых в продольном и поперечном направлениях, сочетая маневренность вертолета с небольшой силовой установкой, необходимой для гидродинамического подъема и движения.

Трение и вязкое сопротивление по погруженной поверхности присутствуют при каждом контакте между потоками и поверхностями, поэтому они неизбежны на судах.

Две другие составляющие сопротивления видны при буксировке корабля, т.е. повышенное давление в носовой части и пониженное давление в кормовой части. При использовании винта, который втягивает воду до ее ускорения через диск, давление вокруг кормы еще более понижено, создавая силу против движения корабля вперед. Появление перед носом корабля головной волны сигнализирует о повышении давления, что создает энергию, необходимую для удаления воды с курса корабля.

Эти две составляющие, головная волна и коэффициент засасывания, рассматриваются в настоящее время как динамические сопротивления, связанные с движением кораблей. Вместе они составляют 30-45 процентов мощности на валу двигателя у большинства кораблей (2, 6)

Их также можно представить как общие технические потери, вызванные винтом. За исключением части пониженного давления на корме, они не связаны с движением корабля.

Сейчас положение с движением кораблей является одним из положений субоптимизации, так как использование реактивной силы винта накладывает ряд ограничений на форму и рабочие характеристики кораблей. Они принимаются за условие движения кораблей как таковые, см. соответствующую литературу, например работы 2 и 6. Модели для расчета мощности, скорости и предполагаемых оптимальных свойств винтов являются эмпирическими и имеют слабую связь с физикой. Для прогнозирования рабочих характеристик корабля испытывается его модель, которая должна иметь определенный размер, с тем чтобы обеспечить точность коэффициентов масштабирования.

Сам винт является субоптимальным реактивным устройством. На основании физических функций стало возможным сконструировать оптимальный винт (9). Тем не менее, он не уменьшает две составляющие сопротивления, связанные с реактивным движением.

Отношение приложенной мощности к созданному импульсу (или первый момент массы) действительно и для самолетов, и для любого тела, перемещаемого в жидкости или удерживаемого против ускорения силы тяжести. Кпд мощности гидродинамически созданной силы больше, чем у реактивной силы, и это накладывает меньшие ограничения на конструкцию и рабочие характеристики судов.

Для кораблей разность давлений, создающая поток, будет иметь скорость, превышающую в два раза скорость корабля. При обтекании носа корабля сила, созданная разностью давлений между ним и продольной проекцией после корабля, будет больше, чем сила, создаваемая винтом, так как рассматриваемые поверхности больше по величине. Эта движущая сила создается без присущей потери кпд, как в случае с винтом, например турбулентность потока за винтом.

По этой технологии корабль превращается в собственное движущее приспособление.

Известный способ создания потоков по носу корабля заключается в использовании сопла (3). Технически более эффективно разместить сопло в стенках двух камер высокого давления, которым придана форма труб, у линии критических точек или рядом с линией критических точек поверхности тела, на которой необходимо уменьшить давление. С помощью цепочки из сопел в каждой трубе жидкость потока распределяется по этой поверхности. Если сделать трубы вращаемыми, то реактивную силу потоков можно будет использовать одновременно для торможения и управления. Торможение можно будет осуществлять даже в случае с большими суднами.

На морских судах две трубы размещаются в средней части носовой оконечности корабля, чтобы распределять потоки по искривленным поверхностям. Например, он сформирован в виде одного вертикального круглого полуцилиндра или двух вертикальных полуцилиндров, имеющих соответствующий профиль для осуществления вышеописанного способа. Положение труб определяет переднюю кромку этих двух засасывающих поверхностей. Кормовая продольная проекция части корабля определяет сторону давления.

Трубы защищены вертикальным телом спереди, так что поток, отклоняемый телом, соприкасается с носом корабля у линий или рядом с линиями, где обтекающие потоки соприкасаются с носом корабля.

Корабли и паромы, для которых очень важно точное маневрирование, будут иметь корму, сформированную, как и носовая оконечность. Трубы с соплами подогнаны соответствующим образом. Торможение выполняется путем вращения труб 1 на 90° перед носом либо с помощью обтекания в кормовой части (см. чертеж).

На самолетах искривленные поверхности или подвижные тела с одной искривленной поверхностью обтекаются воздушными потоками из труб, расположенных рядом с линией критических точек. Чтобы встречный поток не следовал за стороной повышенного давления подвижного тела, к передней кромке шарнирно прикреплена пластина. Амортизаторы не допускают флаттер пластины.

Сила, образованная разностью давления, используется для подъема, движения и маневрирования. На самолетах движение и маневрирование обеспечиваются путем наклона шарнирно закрепленных тел по оси и в поперечном направлении, таким образом используются как вертикальные, так и горизонтальные составляющие вектора потенциала.

Корабль можно интерпретировать как два вместе сложенных крыла, так чтобы стороны пониженного давления сформировали нос и борта корабля, среднее всасывание. Часть корабля, соответствующая стороне повышенного давления крыла, будет продольной проекцией корабля в кормовой части.

Этот способ имеет следующие преимущества.

Самолеты можно делать небольшими, с полным корпусом и практически бесшумным.

Поперечные силы корабля или самолета будут значительно выше, чем силы, создаваемые рулем, обеспечивая эффективное управление.

Самолеты смогут парить, тормозить в воздухе, летать по кривым с минимальным радиусом, поворачиваться на месте, летать боком и приземляться или взлетать вертикально с небольших площадок. Самолет можно будет удерживать в вертикальном положении.

Мощность будет значительно меньше, чем у вертолетов.

На кораблях кпд бокового перемещения в сочетании с продольным перемещением или независимо от него будет выше, чем кпд поперечно работающих винтов, так как используется вся мощность основного двигателя.

При наличии сопел на носу и на корме можно будет перемещать весь корабль боком (боковой снос) и поворачивать его на месте (рыскание).

Точное управление обеспечит более легкое прохождение по рекам, проливам и каналам. Можно будет следовать точному курсу, не выталкивая вперед корму, как это делается с помощью руля. Каботажные судна смогут маневрировать без бокового сноса и быстро проходить даже на небольших глубинах.

Так как носовая волна будет несущественной, вихреобразование за кормой будет небольшим, обеспечивая возможность прохождения по рекам, проливам и каналам с более высокой скоростью, не повреждая берега или небольшие суда.

Систему можно использовать на полностью загруженных кораблях, которые будут иметь меньшую смачиваемую поверхность и меньший вес стали по отношению к их объему. Можно будет использовать коэффициенты формы, которые в настоящее время не применяются. Также можно будет сконструировать корабль с меньшим углублением по отношению к площади палубы или его объему и собственному весу.

При использовании дизель-электрического привода или топливных элементов можно будет оптимально использовать объем корабля.

Система создана по известной технологии. Центробежные насосы используются на существующих морских судах, поэтому только водоструйные сопла являются новой деталью системы движения. Удаление посторонних предметов из систем насоса - обычная процедура на морских судах. Система проста в эксплуатации.

Не существует никакого риска перегрузки двигателя или насоса.

Система обеспечивает высокую степень безопасности. Трубы и сопла меньше повреждаются, чем винты, так как они не выступают и не являются перемещающимися добавочными приспособлениями.

Можно будет изолировать двигатели и насосы от корпуса. Благодаря этому шум двигателя и вибрации не будут распространяться по кораблю.

Не будут возникать вибрации, подобно вибрациям, создаваемым в кормовой части разностью давлений от винта. Сопла не будут генерировать низкочастотную энергию, но будут создавать только высокочастотный звук, который быстро затухает в воде.

Можно будет уменьшить эрозию причала, что иногда является проблемой для паромов, так как можно повредить корму во время причаливания. При отплытии двусторонний паром обтекается струей в носовой оконечности.

Так как паромные причалы большей часть открыты с одной стороны, можно будет использовать катамараны. Они будут иметь преимущественное соотношение между перемещением, силой тяги, грузоподъемностью и скоростью. Два носовых затвора на каждой оконечности обеспечат использование существующих паромных причалов.

Подводные лодки смогут погружаться под более острым углом, чем это осуществляется в настоящее время с использованием только горизонтального руля.

Ссылки:

(1) D. Bernoulli: Hydrodynamica, 1783.

(2) Sv. A. Harald: Resistance and Propulsion of Ships, изд-во John Wiley &Sons, Нью-Йорк, 1983.

(3) Arne Kristiansen: норвежская заявка на изобретение NO 19905214.

(4) B.S. Massey: Mechanics of fluids, 2^nd edition, изд-во Van Nostrand Reinhold, Лондон,1970.

(5) Т. Mechus: An experimental investigation into the shape of thrust-augmentation surfaces in conjunction with Coand-deflected jet sheets, изд-во University of Toronto, 1965.

(6) Harald Walderhaug:Mostand og framdrift, изд-во Institut for marin hydrodynamic, 1988.

(7) S.W.Yan: Foundations of fluid mechanics, 2^nd edition, изд-во Prentice-Hall International, Лондон, 1970.

(8) Патент Норвегии №305796.

(9) Патент Норвегии №143093.

1. Способ создания потенциала по поверхности тела с использованием потоков жидкости под давлением из сопел, отверстий или прорезей по одной или более поверхностям тела, при котором жидкость под давлением нагнетают в виде потоков из сопел, отверстий или прорезей, по меньшей мере, одной трубы по одной или более поверхностям тела от передней кромки, создавая потенциал давления по поверхности тела между передней кромкой и задней кромкой, при этом вращают, по меньшей мере, одну трубу вокруг ее оси.

2. Система для создания потенциала по поверхности тела с использованием потоков из сопел, отверстий или прорезей по одной или более поверхностям указанного тела для приведения этого тела в движение, управления им или маневрирования, имеет, по меньшей мере, одну трубу с соплами, отверстиями или прорезями в стенке трубы, которая расположена вдоль одной кромки тела, тем самым определяя его переднюю кромку, от которой потоки, проходящие рядом с, по меньшей мере, одной искривленной поверхностью тела, снижают давление по этой поверхности и создают потенциал относительно его противоположной поверхности произвольной формы, при этом, по меньшей мере, одна труба выполнена вращаемой вокруг своей оси.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что поверхность, по которой проходят указанные потоки, выполнена выпуклой и с одной кривизной.

4. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что трубы защищены вертикальным телом, размещенным перед трубами и параллельно им.

5. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что тело присоединено к воздушному судну, причем сторона повышенного давления тела оснащена пластинами, шарнирно прикрепленными к их передней кромке, движение которых демпфируется амортизаторами.