Odbity strumień powietrza


Odbity strumień powietrza to podejście do stworzenia samolotu , który może startować i lądować pionowo ( VTOL ) lub przynajmniej z bardzo krótkim pasem startowym ( STOL ). Podstawową zasadą jest odchylenie strumienia powietrza od jednego lub więcej śmigieł o około 90 stopni, aby wytworzyć ciąg skierowany w górę do pionowego startu i skierowaną w dół poduszkę powietrzną do lądowania. Po wzniesieniu klapy są schowane, dzięki czemu samolot może latać poziomo.

Historia

Wstępny

Początkiem tego podejścia do lotu pionowego były klapy skrzydłowe opracowane w okresie I wojny światowej i po jej zakończeniu. Te klapy zostały zaprojektowane w celu zwiększenia siły nośnej samolotu.

Badania sponsorowane przez NACA w Stanach Zjednoczonych

W okresie po II wojnie światowej, kiedy Amerykański Narodowy Komitet Doradczy ds. Aeronautyki (NACA) sponsorował badania nad dość dużą liczbą podejść do lotu pionowego, podejście z odchylonym prądem aerodynamicznym było badane za pomocą modeli, testów w tunelu aerodynamicznym i budowy pełnowymiarowych samolotów . Była to jedna z wielu technologii S/VTOL sponsorowanych przez NACA w latach pięćdziesiątych XX wieku, które zostały podsumowane przez Mike'a Hirschberga na jego wykresie „Wheel of Misfortune”.

Eksploracje w tunelu aerodynamicznym

W 1956 roku Robert Kirby zbadał skuteczność skrzydeł z klapami o dużej cięciwie w odchylaniu strumienia śmigła w dół pod dużymi kątami potrzebnymi do pionowego startu.

Testy przeprowadzono w NACA Langley w Wirginii na modelu znajdującym się w tunelu aerodynamicznym do swobodnego lotu. Rozpiętość skrzydeł modelu była w przybliżeniu równa teoretycznej średnicy strumienia aerodynamicznego śmigła, tj. 70% średnicy śmigła (24 cale [61 cm]). Robert Kirby podsumował swoje badania nad odchylonym strumieniem powietrza w nocie technicznej NACA [TN] 3800:

„Badanie wykazało, że możliwe było obrócenie strumienia śmigła o 90°, tak aby wypadkowy wektor siły kombinacji skrzydło-śmigło był normalny do wału napędowego i wynosił 80 procent wielkości ciągu śmigła. Kiedy model znajdował się blisko ziemi, strumień powietrza został obrócony tylko o około 75°, ale wypadkowa siła wzrosła do około 88 procent ciągu. Wynikowa siła została zmniejszona o około 10 procent, gdy do systemu skrzydeł dodano kadłub”. W podsumowaniu dodał: „Płyty końcowe o mniej więcej półkolistym kształcie na każdym skrzydle (wyznaczone przez górną powierzchnię skrzydła z odchylonymi klapami i wiązanie między krawędzią natarcia i spływu) były niezbędne do uzyskania dużych kątów skrętu i wydajności. Większe płyty końcowe nie wykazały poprawy skuteczności skrętu systemu skrzydeł”.

Schemat zasady odchylonego strumienia powietrza

Inne badania w tunelu aerodynamicznym mechaniki VTOL odchylonego strumienia powietrza zostały przeprowadzone w 1955 i 1956 przez Richarda Kuhna i Johna Drapera w NACA Langley Research Center . Opublikowali szereg uwag technicznych na ten temat dla NACA. W nocie technicznej 3360 Kuhn i Draper omówili swój cel:

Badanie skuteczności skrzydeł i klap jednopłatowca w odchylaniu strumienia śmigła w dół jest prowadzone w Langley Aeronautical Laboratory. Część tych badań jest opisana w pozycjach literaturowych 1 i 2. Wyniki pozycji literaturowej 1 wskazują, że skrzydło jednopłatowca wyposażone w zwykłe klapy i pomocnicze łopatki może odchylać strumień aerodynamiczny pod dużymi kątami zbliżającymi się do kątów wymaganych do pionowego startu.

Kuhn i Draper doszli do wniosku ze swoich badań:

Na podstawie badań z płaskimi płytami o różnych cięciwach najlepszy kąt skrętu uzyskano przy stosunku cięciwy skrzydła do średnicy śmigła równym 1,00, co było największym badanym stosunkiem; jednak zwiększenie stosunku cięciwy skrzydła do średnicy śmigła z 0,75 do 1,00 doprowadziło tylko do niewielkiej poprawy skuteczności skrętu, ale spowodowało duży wzrost momentu nurkowania.

To odniesienie do „momentu nurkowania”, oznaczającego pochylanie się do przodu modelu, gdy zbliżał się do ziemi podczas zawisu, wskazywało na jedno z wyzwań stojących przed budową pełnowymiarowych prototypów, które wykorzystywały zasadę odchylonego strumienia powietrza.

Prototypy

W późnych latach pięćdziesiątych i wczesnych sześćdziesiątych zbudowano trzy różne jednostki, które wykorzystywały odchylony strumień powietrza jako środek do osiągania pionowych lub krótkich startów.

Samolot Ryan Model 92 VZ-3RY

Prototyp VZ-3RY z odchylonym strumieniem powietrza na pasie startowym, klapy w dół
VZ-3RY ze startem STOL

Ryan VZ-3 był samolotem z odchylanym strumieniem powietrza przeznaczonym do całkowitej zdolności VTOL. Projekt VZ-3RY rozpoczął się w 1957 roku, kiedy armia amerykańska zleciła firmie Ryan Aeronautical Company opracowanie i zbudowanie statku latającego z możliwością V/STOL.

Samolot miał krótką rozpiętość skrzydeł z klapami o dużej cięciwie z podwójnymi szczelinami, napędzany turbiną wałową o mocy 825 koni mechanicznych (615 kW). Silnik napędzał przeciwległe obracające się bliźniacze drewniane śmigła. Każda podpora miała średnicę 9 stóp i 2 cale (2,79 m).

Wyniki testów tego statku zostały po raz pierwszy opublikowane w listopadzie 1959 roku w NASA TN D-89 z Ames Research Center w Moffett Field w Kalifornii. Na rysunku 12 powyżej samolot jest zamontowany z tylną krawędzią klap na wysokości 17 stóp (poza wpływem ziemi). Cytując autorów TN D-89,

„Głównym celem badania w tunelu aerodynamicznym było ustalenie, czy maszyna może osiągnąć ustaloną operację VTOL; określenie, w jakich warunkach operacja stałaby się niemożliwa lub niebezpieczna z powodu ograniczeń aerodynamicznych lub konstrukcyjnych; oraz w celu uzyskania informacji niezbędnych do pilotowanej symulacji ruchu statku powietrznego…. Większa część testów była ukierunkowana na warunki i siły symulujące poziomy lot bez przyspieszenia, czyli siłę nośną mniej więcej równą masie samolotu (2625 funtów) i opór równy poziomej składowej ciągu”.

Odkryli, że moment nurkowania zmaterializował się, gdy samolot w trybie zawisu zbliżał się do ziemi z 16 stóp (4,9 m) lub mniej, nawet jeśli klapy nie były w pełni wykorzystane. Kiedy te klapy są otwarte, moment nurkowania staje się jeszcze poważniejszy:

„Głównym skutkiem zbliżania się do ziemi podczas zawisu był moment pochylenia w dół poza możliwościami trymowania sterowania wzdłużnego. Ten moment został opanowany przez dodanie najnowocześniejszej listwy”.

Jednak dodanie tej listwy spowodowało również niestabilność pochylenia podczas próby lotu do przodu.

W późniejszej notatce technicznej z 1963 roku, oznaczonej jako NASA TN-D-1891, autorzy Howard L. Turner i Fred J. Drinkwater III stwierdzili:

„Pojazd testowy Ryan VZ-3RY został przetestowany w locie w zakresie prędkości od 80 węzłów do poniżej 6 węzłów. Koncepcja odchylonego strumienia aerodynamicznego okazała się lepiej pasować do operacji STOL niż VTOL. Niekorzystne skutki naziemne uniemożliwiły operację blisko ziemi przy prędkościach mniejszych niż 20 węzłów i poniżej około 15 stóp wysokości. Osiągnięto strome zbocza schodzenia do lądowania (do -16 °) przy około 40 węzłach, ale stromy, powolny lot w dół nie wydawał się wykonalny. Listwy krawędzi natarcia o pełnej rozpiętości znacznie zwiększyły zdolność opadania i zmniejszyły minimalną prędkość lotu poziomego”.

Niezdolność do opadania w sposób prawdziwie pionowy i nierozwiązane problemy, gdy statek zbliża się do ziemi, znane jako „niekorzystny efekt przyziemny”, wydawały się wykluczać rozważanie tego statku jako kandydata do VTOL. Kiedy badali zachowanie pojazdu, gdy zbliżał się do ziemi i podlegał „efektowi ziemi”, odkryli:

„Mechanizm efektu przyziemnego wydaje się polegać na tym, że odchylony strumień powietrza jest recyrkulowany przez tarczę śmigła jako turbulentne powietrze, powodując częściowo utratę wydajności śmigła, a tym samym utratę prędkości strumienia powietrza i zmniejszenie skuteczności skrętu. Utrata siły nośnej wynika z obniżonej prędkości strumienia powietrza i samolot szybko opada na ziemię. Nie było możliwości sprawdzenia opadania z użyciem mocy. Tej utracie siły nośnej towarzyszy głośny dźwięk uderzania śmigieł. Samolot nie wykazywał tendencji do gwałtownego kołysania się podczas wchodzenia w efekt przyziemny. Jednak w warunkach bocznego wiatru wystąpiły asymetryczne straty siły nośnej, co skutkowało nagłym ześlizgiem bocznym lub nagłym przechyleniem samolotu tuż przed kontaktem z ziemią”.

VZ-3RY wykazywał silne cechy STOL, co widać na powyższym zdjęciu, na którym samolot startuje z bardzo niewielkiej odległości. Jednak istniało wiele przeszkód dla prawdziwego lotu pionowego (lub VTOL), a badania nad statkiem nie były kontynuowane w celu sprawdzenia, czy przeszkody te można pokonać. Ostatnie słowo w sprawie tego rzemiosła pozostało:

„Testy w locie z pojazdem testowym Ryan VZ-3RY V/STOL z odchylanym strumieniem aerodynamicznym wykazały, że koncepcja ta ma kilka wyjątkowych zalet jako samolot STOL, w którym pożądane są bardzo krótkie charakterystyki startu i lądowania. Niekorzystny efekt przyziemny, spowodowany recyrkulacją strumienia śmigła, poważnie ograniczył działanie przy bardzo niskich prędkościach”.

Fairchild M-224-1 VZ-5FA

Fairchild Aircraft , który budował samoloty od lat dwudziestych XX wieku, został zakontraktowany przez armię amerykańską pod koniec lat pięćdziesiątych XX wieku na budowę Fairchild VZ-5, kolejnego samolotu próbującego lotu pionowego z zasadą odchylonego strumienia aerodynamicznego. Memorandum techniczne NASA, TM SX-805, którego autorem jest Marvin P. Fink, opisuje wyniki testów tego samolotu z odchylonym strumieniem powietrza w tunelu aerodynamicznym Langley.

W podsumowaniu dochodzenia stwierdzono, że wyniki testów VZ-5 nie były korzystne:

Dochodzenie wykazało, że samolot był niestabilny w całym zakresie prędkości i nie mógł być wyważony wokół rzeczywistego środka ciężkości przy cięciwie 0,64 dla małej prędkości. W celu zapewnienia rozsądnego stopnia stateczności wzdłużnej dla podstawowej konfiguracji samolotu i pełnej możliwości wyważenia w całym zakresie wychylenia klap, konieczne byłoby balastowanie samolotu w celu przesunięcia środka ciężkości daleko przed jego rzeczywiste położenie. Aby przesunąć środek ciężkości o wymaganą wartość, konieczne byłoby dodanie około 700 funtów ciężaru do obszaru kokpitu. Samolot może unieść się w zawisie około 4000 funtów, co jest w przybliżeniu równe jego wadze. Samolot miał bardzo wysoką efektywną dwuścian, co w połączeniu z pewnymi niestabilnościami kierunkowymi, powinno dawać wysoce niepożądane właściwości latania”.

Ponieważ VZ-5 był testowany tylko na ziemi iw tunelu aerodynamicznym, nigdy nie było wiadomo, w jaki sposób te „niepożądane właściwości latające” przejawiałyby się w walkach testowych.

VTOL Robertsona

Trzecia próba wykorzystania odchylonego strumienia powietrza w celu nadania samolotowi możliwości VTOL została zbudowana przez Robertson Aircraft Corporation w 1956 i 1957 roku. Nigdy nie odleciał z uwięzi.

Samolot produkcyjny

Chociaż żaden samolot wykorzystujący technologię odchylonego strumienia powietrza nigdy nie wszedł do produkcji jako pojazd VTOL, technologia ta została wykorzystana do umożliwienia samolotów krótkiego startu i lądowania ( STOL ). Jednym z odnotowanych przykładów był Breguet 941 , który miał ograniczoną obsługę w trybie produkcyjnym.

Bieżące wysiłki

Cechy konstrukcji Bertelsenów, takie jak skrzydło łukowe i klapy odchylające strumień powietrza śmigła, można zobaczyć na tym rysunku.

Trzy statki przedstawione powyżej reprezentują wysiłki NASA mające na celu zastosowanie odchylonego strumienia powietrza do pionowych i krótkich startów i lądowań ( V/STOL ). Ponieważ tylko Ryan VZ-3RY opuścił ziemię i nie radził sobie dobrze w operacjach czysto pionowych, w okresie badań NACA i NASA w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku nie opracowano żadnego prawdziwego pojazdu VTOL opartego na odchylonym strumieniu powietrza.

Pewien naukowiec, działający na własną rękę, nadal przyglądał się temu podejściu do samolotu VTOL i spędził ponad pięć dekad swojego czasu na poszukiwaniu samolotu z odchylanym strumieniem aerodynamicznym i możliwościami pionowymi. W tamtych latach zaproponował radykalnie odmienny kształt skrzydła – który nazywa skrzydłem łukowym – i przeprowadził własne testy, uzupełnione testami w tunelu aerodynamicznym na uniwersytecie, aby określić wykonalność jego podejścia.

Ten naukowiec, dr William Bertelsen, zmarł w 2009 roku. Jego syn, William D. Bertelsen, nadal eksperymentuje z metodą lotu pionowego z odchylonym strumieniem powietrza, aw ramach swoich badań zbudował małe modele, latawce, paralotnie i ultralekki. Do tej pory (2017) nie zbudowano pełnowymiarowego modelu pokazanego tutaj projektu.

Zobacz też

Notatki

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Deflected_slipstream&oldid=1035420777 ”