Циклоротор , циклоидальный ротор , циклоидальный пропеллер или цикложир — это жидкостное движительное устройство, которое преобразует мощность вала в ускорение жидкости , используя вращающуюся ось, перпендикулярную направлению движения жидкости. В нем используются несколько лопастей, ось размаха которых параллельна оси вращения и перпендикулярна направлению движения жидкости. Эти лопасти циклически перемещаются дважды за оборот для создания силы ( тяги или подъемной силы ) в любом направлении, нормальном к оси вращения. Циклороторы используются для движения, подъема и управления воздушными и водными транспортными средствами. Летательный аппарат, использующий циклороторы в качестве основного источника подъемной силы, движения и управления, известен как цикложир 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 приводными 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 меняет их угол атаки . Совместное действие продвижения, вызванное орбитальным движением и изменением угла тангажа, создает более высокую тягу на низкой скорости, чем любой другой винт. При висении лопасти приводятся в действие с положительным шагом (наружу от центра несущего винта) в верхней половине своего оборота и отрицательным шагом (внутри к оси вращения) в нижней половине, создавая чистую восходящую аэродинамическую силу и противоположный жидкость слив . Изменяя фазу этого шагового движения, силу можно сместить на любой перпендикулярный угол или даже вниз. Перед срывом лопасти увеличение амплитуды кинематики тангажа увеличит тягу.
Ротоциклоидный винт имеет российское происхождение и относится к области воздухоплавания. [4] «Самолёт» Сверчкова (Санкт-Петербург, 1909 г.) или «колесный ортотоптер» был первым транспортным средством, в котором, как предполагалось, использовалась тяга такого типа. Его схема близка к циклогиро, но точно классифицировать ее сложно. Он имел три плоские поверхности и руль направления; задняя кромка одной из поверхностей могла быть изогнута, заменяя действие руля высоты. Подъемную силу и тягу должны были создавать гребные колеса, состоящие из 12 лопастей, установленных попарно под углом 120°. Лопасти вогнутой формы изменяли угол падения с помощью эксцентриков и пружин. В днище корабля располагался двигатель мощностью 10 л.с. Передача обеспечивалась ремнем. Пустой вес составлял около 200 кг. «Самолет» был построен военным инженером Е.П. Сверчковым на средства Главного инженерного управления в Санкт-Петербурге в 1909 году, демонстрировался на Выставке новейших изобретений и получил медаль. В противном случае он не смог бы пройти предварительные испытания без полета.
В 1914 году русский изобретатель и учёный А. Н. Лодыгин обратился к российскому правительству с проектом цикложироподобного самолёта, схема которого была аналогична «Самолёту» Сверчкова. Проект не был реализован.
В 1933 году эксперименты Адольфа Рорбаха в Германии привели к созданию крыла с гребным колесом . [5] Колеблющиеся крылышки меняли угол атаки от положительного к отрицательному во время каждого оборота, чтобы создать подъемную силу, а их эксцентриковое крепление теоретически могло бы создавать практически любую комбинацию горизонтальных и вертикальных сил. DVL оценил проект Рорбаха, но зарубежные авиационные журналы того времени поставили под сомнение надежность проекта, а это означало, что финансирование проекта не могло быть получено, даже с учетом последнего предложения в качестве транспортного самолета Люфтваффе. Похоже, нет никаких доказательств того, что эта конструкция когда-либо была построена, не говоря уже о том, чтобы летать. Однако на основе исследований Рорбаха о гребном колесе Платт в США к 1933 году разработал свой собственный независимый цикложир. Его конструкция крыла с лопастными колесами была запатентована в США (это был лишь один из многих имеющихся в наличии аналогичных патентов) и прошла обширные испытания в аэродинамической трубе Массачусетского технологического института в 1927 году. Несмотря на это, нет никаких доказательств того, что самолет Платта когда-либо был построен.
Первая действующая циклоидная двигательная установка была разработана в компании Voith . Его истоки восходят к решению компании Voith сосредоточиться на производстве узлов трансмиссии для турбин. Знаменитый пропеллер Войта был основан на ноу-хау в области гидродинамики, полученном в ходе предыдущих проектов турбин. Он был изобретен Эрнстом Шнайдером и усовершенствован компанией Voith. Он был спущен на воду под названием Voith-Schneider Propeller (VSP) для коммерческих судов. Этот новый морской привод может значительно улучшить маневренность корабля, что было продемонстрировано в ходе успешных ходовых 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 компания Voith трижды была удостоена главного приза за выставку винтов Voith Schneider и турботрансмиссий Voith. Год спустя два парижских пожарных катера начали работать с новой системой ВСП.
Циклороторы обеспечивают высокую степень контроля. Традиционные пропеллеры , несущие винты 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 винта значительна, а гироскопические силы ротора сопротивляются вращению. Для многих практических применений (вертолеты, самолеты, корабли) это требует вращения всего судна. Напротив, циклороторам нужно только изменять шаг лопастей. Поскольку инерция, связанная с изменением шага лопастей, незначительна, вектор тяги в плоскости, перпендикулярной оси вращения, происходит быстро. [6]
Циклороторы могут создавать подъемную силу и тягу с высокими передаточными числами , что теоретически позволит цикложирному самолету летать на дозвуковых скоростях, значительно превышающих скорости одновинтовых вертолетов.
Вертолеты с одним винтом ограничены в скорости движения из-за сочетания срыва отступающих лопастей и звуковых ограничений на кончиках лопастей. [7] Когда вертолеты летят вперед, кончик продвигающейся лопасти испытывает скорость ветра, которая является суммой скорости движения вертолета и скорости вращения несущего винта. Это значение не может превышать скорость звука, если ротор должен работать эффективно и тихо. Замедление скорости вращения ротора позволяет избежать этой проблемы, но создает другую. В традиционном методе композиции скорости легко понять, что скорость, которую испытывает отступающая лопасть, имеет значение, которое получается векторной композицией скорости вращения лопасти и скорости набегающего потока. В этом состоянии очевидно, что при наличии достаточно высокого передаточного отношения скорость воздуха на отходящей лопатке невелика. Машущее движение клинка меняет угол атаки. Тогда лезвие может достичь состояния срыва. [8] В этом случае необходимо, чтобы срывающая лопасть увеличивала угол наклона, чтобы сохранить некоторую подъемную силу. Этот риск накладывает ограничения на проектирование системы. Необходим точный выбор профиля крыла и тщательный подбор радиуса несущего винта для заданного диапазона скоростей. [9]
Низкоскоростные циклороторы обходят эту проблему за счет горизонтальной оси вращения и работают со сравнительно низкой скоростью кончика лопасти. Для более высоких скоростей, которые могут стать необходимыми для промышленных приложений, кажется необходимым принять более сложные стратегии и решения. Решением является независимое приведение в действие лопастей, которое недавно было запатентовано и успешно испытано для использования на флоте [10] путем использования в системе гидравлического привода. Горизонтальная ось вращения всегда обеспечивает выдвижение верхних лопастей, которые всегда создают положительную подъемную силу полного ротора. [11] Эти характеристики могут помочь решить две проблемы вертолетов: их низкую энергоэффективность и ограничение передаточного числа. [12] [13] [14]
Продвижение лопастей и колебания — это два динамических действия, производимые циклоротором. Очевидно, что лопасти циклоротора работают иначе, чем традиционное крыло самолета или традиционное крыло вертолета. Лопасти циклоротора колеблются за счет вращения вокруг точки, вращение которой описывает идеальную окружность. Сочетание движения выдвижения центра вращения лопасти и колебаний лопасти (это движение чем-то похожее на маятник), продолжающих изменять ее шаг, порождают сложную совокупность аэродинамических явлений:
Эти два эффекта, очевидно, коррелируют с общим увеличением создаваемой тяги. По сравнению с вертолетом или любым другим воздушным винтом очевидно, что та же секция лопастей в ротоциклоиде создает гораздо большую тягу при том же числе Рейнольдса. Этот эффект можно объяснить, рассматривая традиционное поведение воздушного винта.
При низких числах Рейнольдса турбулентность незначительна и могут быть достигнуты условия ламинарного потока. Учитывая традиционный профиль крыла, очевидно, что эти условия минимизируют разницу в скорости между верхней и нижней сторонами крыла. Тогда становится очевидным, что скорость подъема и сваливания снижается. Следствием этого является уменьшение угла атаки, при котором достигаются условия сваливания.
В этом режиме обычные гребные винты и несущие винты должны использовать большую площадь лопастей и вращаться быстрее, чтобы достичь той же движущей силы и терять больше энергии на сопротивление лопастей. Тогда становится очевидным, что циклоротор гораздо более энергоэффективен, чем любой другой винт.
Настоящие циклороторы решают эту проблему за счет быстрого увеличения, а затем уменьшения угла атаки лопастей, что временно задерживает сваливание и обеспечивает высокий коэффициент подъемной силы. Эта нестационарная подъемная сила делает циклороторы более эффективными при небольших масштабах, низких скоростях и больших высотах, чем традиционные гребные винты. В противном случае очевидно, что многие живые существа, такие как птицы и некоторые насекомые, все еще гораздо более эффективны, поскольку они могут изменять не только высоту, но и форму своих крыльев, [15] [16] или они могут изменять свойство пограничного слоя, например, акульей кожи . [17]
Некоторые исследования пытаются достичь того же уровня эффективности, что и естественные примеры крыльев или поверхностей. [18] Одним из направлений является внедрение концепции трансформирующихся крыльев. [19] [20] Другой относится к внедрению механизмов управления пограничным слоем, таких как диэлектрический барьерный разряд. [21]
Во время экспериментальной оценки циклороторы производили небольшой аэродинамический шум. Вероятно, это связано с более низкими скоростями кончиков лопастей, которые создают турбулентность меньшей интенсивности, следующую за лопастями. [22]
В ходе мелкомасштабных испытаний циклороторы показали более высокую силовую нагрузку , чем традиционные роторы сопоставимого масштаба при той же нагрузке на диск . Это связано с использованием нестационарной подъемной силы и стабильными аэродинамическими условиями лопастей. Вращательная составляющая скорости винтов увеличивается от основания к вершине и требует изменения хорды, крутки, профиля и т. д. вдоль лопасти. Поскольку размах лопастей 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, которую иногда называют «спицами», увеличивает паразитное сопротивление и вес ротора. [24] Лопасти циклоротора также подвергаются центробежной нагрузке при изгибе (в отличие от осевой нагрузки на гребные винты), что требует лопастей с чрезвычайно высоким соотношением прочности и веса или промежуточных спиц для поддержки лопастей. Циклоротаторы начала 20-го века имели короткие размахи лопастей или дополнительную опорную конструкцию, позволяющую обойти эту проблему. [25] [26] [27]
Циклороторы требуют постоянного изменения шага лопастей. Относительный угол потока, испытываемый лопастями при вращении вокруг ротора, существенно меняется в зависимости от передаточного числа и тяги ротора. Для наиболее эффективной работы механизм наклона лопастей должен адаптироваться к этим различным углам потока. Высокие скорости вращения затрудняют реализацию механизма на основе привода, который требует наличия гусеницы фиксированной или изменяемой формы для управления шагом, установленной параллельно траектории лопасти, на которой размещаются толкатели лопастей, такие как ролики или аэродинамические подушки - форма гусеницы управления по тангажу надежна. определяет шаг лопасти по орбите независимо от частоты вращения лопасти. Хотя движения тангажа, используемые при зависании, не оптимизированы для полета вперед, в ходе экспериментальной оценки было обнаружено, что они обеспечивают эффективный полет до передаточного числа, близкого к единице. [24] [28] [29] [30]
Ветровые турбины - потенциальное применение циклороторов. [31] В данном случае они называются ветряными турбинами с регулируемым шагом и вертикальной осью , имеющими большие преимущества по сравнению с традиционными VAWT. [32] Утверждается, что этот тип турбины преодолевает большинство традиционных ограничений традиционных VAWT Дарье. [33]
Наиболее распространенное применение циклороторов - для движения и управления судами. На кораблях циклоротор устанавливается с вертикальной осью вращения, чтобы можно было быстро направить тягу в любом направлении, параллельном плоскости водной поверхности. В 1922 году Курт Кирстен установил пару циклороторов на 32-футовую лодку в Вашингтоне, что устранило необходимость в руле направления и обеспечило исключительную маневренность. В то время как эта идея провалилась в Соединенных Штатах после того, как компания Kirsten-Boeing Propeller Company лишилась исследовательского гранта ВМС США, компания Voith-Schneider успешно использовала этот винт в коммерческих целях. До начала Второй мировой войны этот винт Voith-Schneider был установлен на более чем 100 кораблях. [34] Сегодня та же компания продает тот же гребной винт для высокоманевренных гидроциклов. Применяется на морских буровых судах, буксирах и паромах. [35]
Цикложир — это летательный аппарат с вертикальным взлетом и посадкой , использующий циклоротор в качестве несущего крыла для подъемной силы, а часто также для движения и управления. Достижения в области аэродинамики циклоротора сделали возможным первый полет модели циклогира без привязи в 2011 году в Северо-Западном политехническом институте в Китае. С тех пор университеты и компании успешно запускают небольшие циклогироскопы в нескольких конфигурациях. [24] [36]
Характеристики традиционных роторов сильно ухудшаются при низких числах Рейнольдса из-за срыва лопастей при малом угле атаки. Современные MAV с возможностью зависания могут оставаться в воздухе всего несколько минут. [23] Циклороторные MAV (циклорогироскопы очень маленького размера) могут использовать нестационарную подъемную силу для увеличения выносливости. Самый маленький цикложир, летавший на сегодняшний день, весит всего 29 граммов и был разработан передовой лабораторией вертикального полета Техасского университета A&M. [37]
Коммерческие циклогироскопические БПЛА разрабатываются компаниями D-Daelus [38] и Pitch Aeronautics. [39]
Большая открытая площадь делает дирижабли уязвимыми к порывам ветра и затрудняет взлет, посадку или швартовку в ветреную погоду. Приведение в движение дирижаблей с помощью циклороторов могло бы обеспечить возможность полета в более суровых атмосферных условиях за счет компенсации порывов ветра быстрым вектором тяги. Следуя этой идее, ВМС США всерьез рассматривали возможность установки на дирижабль USS Shenandoah шести примитивных циклороторов Kirsten-Boeing . « Шенандоа» разбился при прохождении линии шквала 3 сентября 1925 года, прежде чем была возможна установка и испытания. [40] С тех пор не проводилось никаких крупномасштабных испытаний, но 20-метровый (66 футов) дирижабль с циклоротором продемонстрировал в ходе испытаний улучшенные характеристики по сравнению с традиционной конфигурацией дирижабля. [41]