Читать книгу Машущий полёт. Мифы и реальность - Игорь Азарьев - Страница 6

Большинство энтузиастов машущего полета уверено в высоком кпд махолета и птиц. Сделаем анализ этой проблемы и сделаем сравнительную оценку кпд превращения энергии топлива или пищи в энергию движения для самолета, махолета и птицы.

Проблема определения кпд махолета есть более сложная, чем для самолета. Дело в том, что кпд изменяется по фазам маха и зависит от характеристик привода. Еще более сложная задача сравнивать кпд самолета, махолета и птицы. Можно высказать некоторые общие соображения.

В природе постоянно происходят процессы превращения энергии, поэтому в полной постановке анализ энергетического совершенства летательных аппаратов и живых существ является чрезвычайно сложным. Рассмотрим более узкую проблему превращения энергии последних звеньев цепочки энергозатрат птицы, самолета и махолета начиная с этапа потребленной пищи у птицы и заправленными топливом баками самолета и махолета.

Общий кпд превращения энергии топлива в энергию движения самолета и махолета можно разделить на три составляющие.

– кпд превращения химической энергии топлива в механическую энергию вращающегося вала двигателя,

– кпд редуктора, понижающего обороты коленвала,

– кпд движителя (у самолета – это воздушный винт, у махолета -крылья), который превращает энергию, вращающегося вала редуктора в энергию движения летательного аппарата.

Самолеты и махолеты используют одни и те же двигатели, поэтому кпд превращения химической энергии в механическую энергию вращающегося вала двигателя одинаков для рассматриваемых летательных аппаратов.

Кпд поршневого двухтактного двигателя, устанавливаемого на легких самолетах, составляет, примерно, hдв=0.25.

Кпд воздушного винта легкого самолета равен hв=0.75.

Кроме того, часть энергии теряется в редукторе. Одноступенчатый шестеренчатый редуктор имеет кпд

hр=0.98.

Таким образом, кпд превращения механической энергии двигателя в энергию движения самолета равен

h = hр «hв = 0.98‘0.75=0.73,

а общий коэффициент превращения химической энергии топлива в энергию движения легкомоторного самолета с двухтактным двигателем составляет

h = hдв‘hр «hв = 0.25‘0.98‘0.75=0.18.

А если учесть затраты энергии на добычу нефти, ее переработку и транспортировку, то коэффициент использования химической энергии нефти составит менее 0.1. Человек распоряжается запасенной для него энергией нерационально.

Махолет.

Кпд превращения химической энергии в механическую энергию вращающегося вала двигателя такой же, как у самолета.

У махолета сложный и энергоемкий редуктор, необходимый для преобразования быстрого вращения вала двигателя n=75 об/с в медленные махи крыльями n=0.7 мах/с. Для махолета «Дедал-1», проект которого разработан фирмой «АНКОМ», кпд редуктора составляет hр=0.92. В будущем, возможно, появятся силовые установки, не требующие редуктора, что приведет к уменьшению потерь.

Рассмотрим кпд превращения энергии поступающей к машущему крылу в энергию тяги. При махе все параметры изменяются в зависимости от фазы маха, поэтому сложно определить кпд. Сделаем качественный анализ, для этого рассмотрим потери энергии при махе крыльями вниз и вверх.

При махе вниз наиболее эффективно используется энергия двигателя: вектор полной аэродинамической силы крыла наклонен вперед, и его проекции создают подъемную силу и тягу. В этой фазе маха кпд максимален, и можно ожидать, что он близок к кпд самолета.

При махе вверх для обеспечения необходимой подъемной силы угол атаки на несущих поверхностях крыльев положителен, а вектор полной аэродинамической силы наклонен назад. При этом проекция полного вектора на горизонтальную ось направлена назад, создавая сопротивление. Для компенсации этого сопротивления концевые отсеки должны создавать тягу, для чего угол атаки должен быть отрицательным. Подъемная сила этих отсеков направлена вниз и для компенсации потерь подъемной силы нагрузка на несущие отсеки крыла должна быть увеличена.

Полностью все потери тяги и подъемной силы в течении цикла маха можно компенсировать за счет увеличения потребной мощности двигателя, поэтому в этой фазе кпд меньше, чем у самолета.

При использовании двух пар крыльев можно ожидать некоторое увеличение кпд, однако, это будет связано со значительным усложнением конструкции махолета и другими потерями, поэтому здесь не рассматривается.

Кроме того, часть энергии тратится на преодоление моментов инерции при разгоне и торможении крыльев при махе (у самолета этого нет), что также снижает общий кпд махолета.

Можно предположить, что коэффициент превращения механической энергии маха крыльями в энергию движения составит не более hм=0.6.

Таким образом, кпд превращения энергии вращения вала двигателя в энергию движения у махолета равен

hр «hм=0.65 * 0.6=0.39,

и общий кпд превращения энергии топлива в энергию движения махолета равен

hдв * hр «hм=0.25 * 0.65 * 0.6=0.1.

Таким образом, качественная оценка показывает, кпд махолета будет почти в два раза меньше, чем самолета, так что не оправдываются надежды энтузиастов машущего полета на высокий кпд махолета.

Теперь рассмотрим кпд птицы.

Птица в полете совершает махи крыльями, используя биохимическую энергию, которую получил ее организм, усвоив пищу, в механическую энергию маха крыльями. Кпд превращения биологической энергии определить достаточно сложно, можно высказать только некоторые качественные оценки, не претендующие на большую точность. Меня интересует порядок величин.

Начнем рассматривать процесс превращения энергии, начиная с того момента, когда птичка поклевала зернышки или съела червяка. Энергию употребляемой пищи нельзя измерить в калориях путем сжигания пищи. Организм животного (и человека) – это не топка паровоза, в нем происходят сложные биохимические процессы, которые позволяют более полно использовать имеющуюся в пище энергию. Часть энергии птица расходует на процесс переваривания пищи, на поддержания своей жизнедеятельности и на регулирование температуры тела. Для оценочного расчета можно принять, что, примерно, 25% энергии пищи расходуется на эти цели. Следует заметить, что эта цифра нуждается в уточнении, и автор будет благодарен тем, кто сможет привести более точные и обоснованные данные.

Рассмотрим кпд превращения энергии маха птицы в энергию движения. Занимаясь параметрическими исследованиями различных вариантов компоновки махолета, я пришел к выводу, что крыло птицы выполняет функции создания тяги и подъемной силы менее оптимально, чем может это делать крыло махолета.

Аэродинамическая компоновка крыла, и кинематика маха птиц оптимизированы на той элементной базе, которая имеется у Природы. Вследствие недостаточной крутильной гибкости концевые части крыла птиц не могут устанавливаться на оптимальные углы атаки. Они обтекаются воздушным потоком с очень большими положительными и отрицательными углами атаки и имеют большое сопротивление. Кроме того, из курса аэродинамики малых скоростей известно, что на малых скоростях (где число Re <10⁵) несущие свойства крыла и его аэродинамическое качество уменьшаются, что приводит к уменьшению кпд превращения энергии маха крыльями в энергию движения птицы.

Можно предположить, что кпд превращения механической энергии маха в энергию движения птицы составит не более 0.6, и общий кпд превращения биохимической энергии пищи в энергию движения у птиц равен

hп = hдв * hв = 0.6 * 0.75=0.45.

У птиц нет потерь на редукцию.

Следует отметить, что приведенные цифры имеют качественный характер, и будут отличаться для конкретных летательных аппаратов и видов птиц, тем не менее, они отражают некоторые общие закономерности.

По результатам анализа можно сделать следующие выводы:

1. Махолет будет иметь низкий кпд.

2. Высокий общий кпд у птиц определяется высокой эффективностью использования биохимической энергии пищи.

Таким образом, не оправдываются надежды на создание более экономичного летательного аппарата. Тем не менее, махолеты представляют значительный спортивный интерес и обязательно займут свое место в авиации будущего.

Ну хорошо, человек в конце концов построит махолет, а может быть Природа уже создавала какую-нибудь большую птицу или ящер типа летающей лошади или хотя-бы собаки? Почему птицы летают, а лошади нет?