Циклоротор , циклоидальный ротор , циклоидальный пропеллер или цикложиро — это жидкостное движительное устройство, которое преобразует мощность вала в ускорение жидкости с помощью вращающейся оси, перпендикулярной направлению движения жидкости. Он использует несколько лопастей с продольной осью, параллельной оси вращения и перпендикулярной направлению движения жидкости. Эти лопасти циклически наклоняются дважды за оборот, чтобы создавать силу ( тягу или подъемную силу ) в любом направлении, нормальном к оси вращения. Циклороторы используются для движения, подъема и управления на воздушных и водных транспортных средствах. Летательный аппарат, использующий циклороторы в качестве основного источника подъема, движения и управления, известен как цикложиро или циклокоптер . Уникальным аспектом является то, что он может изменять величину и направление тяги без необходимости наклона каких-либо конструкций самолета. Запатентованное приложение, [1] [2] [3], используемое на судах с особыми исполнительными механизмами, как механическими, так и гидравлическими, названо в честь немецкой компании Voith Turbo .
Циклороторы создают тягу за счет комбинированного действия вращения фиксированной точки лопастей вокруг центра и колебания лопастей, которое со временем изменяет их угол атаки . Совместное действие продвижения, создаваемого орбитальным движением и изменением угла тангажа, создает более высокую тягу на низкой скорости, чем любой другой пропеллер. В зависшем состоянии лопасти приводятся в действие с положительным шагом (наружу от центра ротора) на верхней половине своего вращения и с отрицательным шагом (внутрь к оси вращения) на нижней половине, вызывая чистую восходящую аэродинамическую силу и противоположный поток жидкости вниз . Изменяя фазу этого движения тангажа, силу можно сместить на любой перпендикулярный угол или даже вниз. До срыва лопасти увеличение амплитуды кинематики тангажа увеличит тягу.
Происхождение роторно-циклоидного воздушного винта является русским и относится к области воздухоплавания. [4] «Самолет» Сверчкова (Санкт-Петербург, 1909) или «колесный ортоптер» был первым аппаратом, который, как считалось, использовал этот тип движителя. Его схема была близка к цикложиру, но его трудно точно классифицировать. Он имел три плоские поверхности и руль направления; задний край одной из поверхностей мог быть изогнут, заменяя действие руля высоты. Подъемная сила и тяга должны были создаваться гребными колесами, состоящими из 12 лопастей, установленных попарно под углом 120°. Лопасти вогнутой формы изменяли угол атаки с помощью эксцентриков и пружин. В днище аппарата был расположен двигатель мощностью 10 л. с. Трансмиссия обеспечивалась ремнем. Пустой вес составлял около 200 кг. «Самолет» был построен военным инженером Е.П. Сверчковым на средства Главного инженерного управления в Петербурге в 1909 году, демонстрировался на Выставке новейших изобретений и получил медаль. В противном случае он не мог пройти предварительных испытаний без полетов.
В 1914 году русский изобретатель и учёный А. Н. Лодыгин обратился в российское правительство с проектом цикложироподобного летательного аппарата, схема которого была близка к «Самолёту» Сверчкова. Проект не был осуществлён.
В 1933 году эксперименты Адольфа Рорбаха в Германии привели к созданию крыла с гребным колесом . [5] Качающиеся крылышки менялись от положительных до отрицательных углов атаки во время каждого оборота, чтобы создать подъемную силу, а их эксцентричное крепление, в теории, могло бы производить практически любую комбинацию горизонтальных и вертикальных сил. DVL оценила проект Рорбаха, но иностранные авиационные журналы того времени поставили под сомнение надежность проекта, что означало, что финансирование проекта не могло быть получено, даже с последним предложением в качестве транспортного самолета Люфтваффе. Похоже, нет никаких доказательств того, что этот проект был когда-либо построен, не говоря уже о том, чтобы летать. Однако, основываясь на исследованиях Рорбаха с гребным колесом, Платт в США спроектировал к 1933 году свой собственный независимый Cyclogyro. Его конструкция крыла с гребным колесом получила патент США (это был лишь один из многих аналогичных патентов в деле) и прошла обширные испытания в аэродинамической трубе в Массачусетском технологическом институте в 1927 году. Несмотря на это, нет никаких доказательств того, что самолет Платта когда-либо был построен.
Первый рабочий циклоидный движитель был разработан в Voith . Его истоки восходят к решению компании Voith сосредоточиться на бизнесе передаточных механизмов для турбин. Знаменитый гребной винт Voight был основан на ее гидродинамических ноу-хау, полученных из предыдущих проектов турбин. Он был изобретен Эрнстом Шнайдером и усовершенствован Voith. Он был запущен под названием Voith-Schneider Propeller (VSP) для коммерческих судов. Этот новый морской привод мог значительно улучшить маневренность судна, что было продемонстрировано в ходе успешных морских испытаний на испытательном судне Torqueo в 1937 году. Первые гребные винты Voith Schneider были введены в эксплуатацию в узких каналах Венеции, Италия. Во время Всемирной выставки 1937 года в Париже Voith была удостоена главного приза — трижды — за свою экспозицию гребных винтов Voith Schneider и турботрансмиссий Voith. Год спустя два пожарных катера Парижа начали работать с новой системой VSP.
Циклороторы обеспечивают высокую степень контроля. Традиционные пропеллеры , роторы и реактивные двигатели создают тягу только вдоль своей оси вращения и требуют вращения всего устройства для изменения направления тяги. Это вращение требует больших сил и сравнительно больших временных масштабов, поскольку инерция пропеллера значительна, а гироскопические силы ротора сопротивляются вращению. Для многих практических применений (вертолеты, самолеты, корабли) это требует вращения всего судна. Напротив, циклороторам нужно только изменять движения шага лопастей. Поскольку с изменением шага лопастей связана небольшая инерция, вектор тяги в плоскости, перпендикулярной оси вращения, происходит быстро. [6]
Циклороторы могут создавать подъемную силу и тягу при высоких передаточных числах , что, теоретически, позволило бы цикложирному самолету летать на дозвуковых скоростях, значительно превышающих скорости однороторных вертолетов.
Однороторные вертолеты ограничены в скорости движения вперед комбинацией срыва отступающей лопасти и звуковых ограничений кончика лопасти. [7] Когда вертолеты летят вперед, кончик наступающей лопасти испытывает скорость ветра, которая является суммой скорости движения вертолета и скорости вращения ротора. Это значение не может превышать скорость звука, если ротор должен быть эффективным и тихим. Замедление скорости вращения ротора позволяет избежать этой проблемы, но представляет другую. В традиционном методе сложения скорости легко понять, что скорость, испытываемая отступающей лопастью, имеет значение, которое создается векторным сложением скорости вращения лопасти и скорости набегающего потока. В этом состоянии очевидно, что при наличии достаточно высокого передаточного отношения скорость воздуха на отступающей лопасти низкая. Машущее движение лопасти изменяет угол атаки. Тогда лопасть может достичь состояния срыва. [8] В этом случае необходимо, чтобы срывающаяся лопасть увеличивала угол наклона, чтобы сохранить некоторую подъемную способность. Этот риск накладывает ограничения на конструкцию системы. Необходим точный выбор профиля крыла и тщательный расчет радиуса ротора для заданного диапазона скоростей. [9]
Низкоскоростные циклороторы обходят эту проблему за счет горизонтальной оси вращения и работы на сравнительно низкой скорости кончика лопасти. Для более высоких скоростей, которые могут стать необходимыми для промышленного применения, кажется необходимым принять более сложные стратегии и решения. Решением является независимое приведение в действие лопастей, которое было недавно запатентовано и успешно испытано для использования в военно-морских силах [10] путем использования гидравлической системы приведения в действие. Горизонтальная ось вращения всегда обеспечивает выдвижение верхних лопастей, которые всегда создают положительную подъемную силу всего ротора. [11] Эти характеристики могут помочь преодолеть две проблемы вертолетов: их низкую энергоэффективность и ограничение передаточного отношения. [12] [13] [14]
Продвижение лопастей и колебания - это два динамических действия, которые производит циклоротор. Очевидно, что лопасти крыла циклоротора работают иначе, чем традиционное крыло самолета или традиционное крыло вертолета. Лопасти циклоротора колеблются путем вращения вокруг точки, которая, вращаясь, описывает идеальную окружность. Сочетание движения продвижения центра вращения лопасти и колебания лопасти (это движение, в некоторой степени похожее на маятник), которые продолжают изменять свой шаг, порождают сложный набор аэродинамических явлений:
Оба эффекта, очевидно, коррелируют с общим увеличением производимой тяги. Если сравнивать с вертолетом или любым другим пропеллером, то очевидно, что та же самая секция лопасти в роторно-циклоиде производит гораздо большую тягу при том же числе Рейнольдса. Этот эффект можно объяснить, рассмотрев традиционное поведение пропеллера.
При низких числах Рейнольдса турбулентность незначительна , и можно достичь условий ламинарного потока. При рассмотрении традиционного профиля крыла очевидно, что эти условия минимизируют разницу скоростей между верхней и нижней поверхностью крыла. Тогда очевидно, что и подъемная сила, и скорость сваливания уменьшаются. Следствием этого является уменьшение угла атаки, при котором достигаются условия сваливания.
В этом режиме обычные пропеллеры и роторы должны использовать большую площадь лопастей и вращаться быстрее, чтобы достичь тех же пропульсивных сил и терять больше энергии на сопротивление лопастей. Тогда становится очевидным, что циклоротор намного более энергоэффективен, чем любой другой пропеллер.
Фактические циклороторы обходят эту проблему, быстро увеличивая и затем уменьшая угол атаки лопасти, что временно задерживает срыв и достигает высокого коэффициента подъемной силы. Эта неустойчивая подъемная сила делает циклороторы более эффективными в малых масштабах, на низких скоростях и больших высотах, чем традиционные пропеллеры. В остальном очевидно, что многие живые существа, такие как птицы и некоторые насекомые, по-прежнему намного более эффективны, потому что они могут изменять не только шаг, но и форму своих крыльев, [15] [16] или они могут изменять свойства пограничного слоя, такого как акулья кожа . [17]
Некоторые исследования пытаются достичь того же уровня эффективности, что и естественные примеры крыльев или поверхностей. [18] Одним из направлений является введение концепций морфинга крыла. [19] [20] Другое направление связано с введением механизмов управления пограничным слоем, таких как диэлектрический барьерный разряд. [21]
Во время экспериментальной оценки циклороторы производили мало аэродинамического шума. Это, вероятно, связано с более низкой скоростью кончиков лопастей, что приводит к более низкой интенсивности турбулентности, следующей за лопастями. [22]
В мелкомасштабных испытаниях циклороторы достигли более высокой нагрузки мощности , чем сопоставимые масштабные традиционные роторы при той же нагрузке на диск . Это объясняется использованием неустойчивой подъемной силы и постоянными аэродинамическими условиями лопасти. Вращательная составляющая скорости на пропеллерах увеличивается от корня к кончику и требует, чтобы хорда лопасти, скручивание, аэродинамический профиль и т. д. изменялись вдоль лопасти. Поскольку размах лопасти циклоротора параллелен оси вращения, каждая секция лопасти по размаху работает с одинаковыми скоростями, и вся лопасть может быть оптимизирована. [6] [23]
Лопасти циклоротора требуют опорной конструкции для их расположения параллельно оси вращения ротора. Эта структура, иногда называемая «спицами», увеличивает паразитное сопротивление и вес ротора. [24] Лопасти циклоротора также подвергаются центробежной нагрузке при изгибе (в отличие от осевой нагрузки на пропеллеры), что требует лопастей с чрезвычайно высоким отношением прочности к весу или промежуточных спиц поддержки лопасти. Циклороторы начала 20-го века отличались короткими размахами лопастей или дополнительной опорной конструкцией для обхода этой проблемы. [25] [26] [27]
Циклороторы требуют непрерывного управления шагом лопасти. Относительный угол потока, испытываемый лопастями при вращении вокруг ротора, существенно меняется в зависимости от передаточного отношения и тяги ротора. Для наиболее эффективной работы механизм шага лопасти должен подстраиваться под эти разнообразные углы потока. Высокие скорости вращения затрудняют реализацию механизма на основе привода, который требует фиксированной или переменной формы дорожки для управления шагом, установленной параллельно траектории лопасти, на которой размещены следящие устройства лопасти, такие как ролики или воздушные подушки - форма дорожки управления шагом надежно определяет шаг лопасти вдоль орбиты независимо от оборотов лопасти. Хотя движения тангажа, используемые при зависании, не оптимизированы для полета вперед, в экспериментальной оценке было обнаружено, что они обеспечивают эффективный полет до передаточного отношения, близкого к единице. [24] [28] [29] [30]
Ветровые турбины являются потенциальным применением циклороторов. [31] В этом случае они называются ветряными турбинами с изменяемым шагом и вертикальной осью вращения , имеющими большие преимущества по сравнению с традиционными VAWT. [32] Утверждается, что этот тип турбин преодолевает большинство традиционных ограничений традиционных VAWT Дарье. [33]
Наиболее распространенное применение циклороторов — для движения и управления судами. На судах циклоротор устанавливается с вертикальной осью вращения, так что тяга может быть быстро направлена в любом направлении параллельно плоскости поверхности воды. В 1922 году Фредерик Кирстен установил пару циклороторов на 32-футовой лодке в Вашингтоне, что устранило необходимость в руле и обеспечило чрезвычайную маневренность. В то время как идея провалилась в Соединенных Штатах после того, как компания Kirsten-Boeing Propeller Company потеряла исследовательский грант ВМС США, компания Voith-Schneider propeller company успешно использовала винт в коммерческих целях. Этот винт Voith-Schneider был установлен на более чем 100 кораблях до начала Второй мировой войны. [34] Сегодня та же компания продает тот же винт для высокоманевренных водных судов. Он применяется на морских буровых судах, буксирах и паромах. [35]
Цикложир — это летательный аппарат вертикального взлета и посадки, использующий циклоротор в качестве роторного крыла для подъемной силы, а также часто для движения и управления. Достижения в области аэродинамики циклоротора сделали возможным первый полет непривязанной модели цикложира в 2011 году в Северо-Западном политехническом институте в Китае. С тех пор университеты и компании успешно запускали небольшие цикложиры в нескольких конфигурациях. [24] [36]
Производительность традиционных роторов сильно ухудшается при низких числах Рейнольдса из-за срыва потока на лопастях при малом угле атаки. Современные MAV, способные зависать, могут оставаться в воздухе всего несколько минут. [23] Циклороторные MAV (циклогиры очень малого масштаба) могут использовать неустойчивую подъемную силу для увеличения выносливости. Самый маленький циклогиро, который был запущен на сегодняшний день, весит всего 29 граммов и был разработан передовой лабораторией вертикальных полетов в Техасском университете A&M. [37]
Коммерческие цикложирные БПЛА разрабатываются компаниями D-Daelus [38] , Pitch Aeronautics [39] и CycloTech.
Большая открытая площадь делает дирижабли восприимчивыми к порывам ветра и затрудняет взлет, посадку или швартовку в ветреную погоду. Движение дирижаблей с циклороторами может обеспечить полет в более суровых атмосферных условиях за счет компенсации порывов ветра с помощью быстрого изменения вектора тяги. Следуя этой идее, ВМС США серьезно рассматривали возможность установки шести примитивных циклороторов Kirsten-Boeing на дирижабль USS Shenandoah . Shenandoah потерпел крушение при прохождении линии шквала 3 сентября 1925 года до возможной установки и испытаний. [40] С тех пор не было предпринято никаких крупномасштабных испытаний, но 20-метровый (66 футов) циклороторный дирижабль продемонстрировал улучшенные характеристики по сравнению с традиционной конфигурацией дирижабля в ходе испытаний. [41]
https://www.cyclotech.at/