Вентиляторный конвертоплан /вентоплан/

Идея принципиально нового летательного аппарата,использующего винт и крыло,- названного "вентоплан"/от лат.ventis - ветер/,- возникла в результате напрашивающегося анализа работы существующих аэродинамических систем.

Динамические воздушные движители,кроме своей прямой функции - создания реактивной тяги - имеют весьма ощутимый побочный эффект,вытекающий из их принципа действия,- порой довольно мощный воздушный поток за ними,в области нагнетания.Например,у тяжёлых вертолётов поток от винта способен ломать ветки деревьев и валить с ног людей,- один только вредный эффект,не приносящий никакой пользы.Получается,что эффект воздушных винтов и вентиляторов используется в моторах только наполовину - в части реакции,а непосредственное активное действие потока не используется.
Небольшая подвижка в использовании "искусственного ветра" была намечена: есть даже опробованная на практике идея взлёта самолёта с помощью потока,нагнетаемого под крыло.Как известно,из-за трудностей в конструктивной реализации такая система распространения не получила.

А между тем,"искусственный ветер" - это очень ценный ресурс,во-первых,повышающий ценность аэродинамических движителей,во-вторых /практически,конечно,важнее!/,позволяющий сделать подъёмную силу крыла не зависящей от горизонтального движения,- преодолеть зависимость,составляющую "роковой" недостаток современных крылатых машин.Используя искусственное /принудительное/ нагнетание под крыло,можно получить крылатый аппарат,у которого подъёмная сила не будет зависеть от скорости полёта.

Нужно заметить,что для вертикального взлёта как такового система взаимодействия маршевого винта с крылом подходит не идеально,так как работа движителя неизбежно вызывает горизонтальное ускорение аппарата,и за время действия подъёмной силы,обеспечивающей набор некоторой высоты,он уже проходит некоторое горизонтальное расстояние.Зато для движения в низкоскоростном режиме принудительное создание подъёмной силы будет весьма целесообразно.Важное преимущество такого варианта состоит ещё в том,что для перехода в скоростной полёт используется та же система лишь с изменением параметров.
Конкретно параметры системы изменяются через изменение угла атаки крыла: при большом угле атаки на вертикальную реакцию пойдёт большая часть энергии создаваемого винтом потока,что будет соответствовать режиму взлёта и полёта на малой скорости.При малом угле атаки крыла на принудительное создание подъёмной силы пойдёт меньшая часть энергии мотора,что высвободит его мощность для горизонтального разгона,а крыло будет создавать меньшее аэродинамическое сопротивление.В пределе в скоростном режиме винт может быть полностью освобождён от создания подъёмной силы: крыло будет работать как обычное,используя движущийся навстречу аппарату воздух.

С точки зрения функции движителя важным преимуществом описанной выше схемы перед винтокрылыми будет горизонтальное действие движителя,- в противоположность нежелательному угловому вектору тяги,как правило ограничивающему параметры горизонтального полёта.При этом маршевый движитель разгружается от подъёмной силы: вся реактивная часть создаваемого им эффекта идёт на горизонтальную тягу,и лишь активная используется опосредованно для создания вертикальной реакции.

Техническая сложность реализации приведённой здесь схемы понятна: требуется крыло особого профиля с углом атаки,изменяемым в широком диапазоне.Применимый для "нормального" крыла угол атаки в 10 - 15 градусов здесь недостаточен,требуется не менее 20 /по действию такое крыло сравнимо с вертолётной лопастью/.Обычная механизация крыла,позволяющая менять угол установки лишь отдельных элементов,здесь проблему не решит.Требуется изменение угла установки всего крыла в целом.
В принципе возможно крыло,наклоняющееся на своей оси,подобно лопасти вертолётного винта.Степень расхода нагнетаемого под крыло воздуха будет определяться его углом относительно вертикальной плоскости винта.

Важный момент,который должен быть учтён при разработке такой системы,связан с коренным принципом действия крыла: в естественной функции крыльевой системы 2/3 реакции составляет засасывание воздуха верхней поверхностью,и лишь 1/3 - нагнетанием на нижней.Искусственно нагнетая воздух непосредственно под крыло,мы изменяем его функцию,делая преобладающей реакцию нагнетания.Однако желательно приблизить работу крыла к естественной,тогда её эффективность будет выше.Поэтому оно должно располагаться так,чтобы искусственный поток обдувал его двусторонне.Верхняя кромка крыла должна подниматься не более чем до 2/3 высоты винта,оставляя 1/3 для прохождения потока через область засасывания.При этом приоритет в распределении сил будет всё же за нагнетанием,что вызвано созданием его ограниченным в объёме потоком.

В результате применения такой системы винт полностью разгружается от подъёмной силы,переносимой на гораздо более приспособленное для неё крыло.
Специфика работы винта в такой системе состоит в том,что от него требуется не только реактивная движущая сила,но и активный поток,способный вызывать требуемую реакцию на крыле.Винт большого диаметра с малой скоростью вращения имеет большую тягу при низкой интенсивности отбрасываемого потока.Противоположный вариант - наоборот.Однако винт малого диаметра с высокой скоростью вращения при высокой скорости отбрасываемого воздуха даст ограниченную ометаемую площадь,что создаст дефицит реакционного объёма для работы крыла.Значит,приемлемый вариант находится где-то между этими "крайностями".Нужна высокая скорость потока при значительной ометаемой площади.То есть аппарат с нагнетающим винтом требует винта типа используемых на тяжёлых турбовинтовых самолётах - довольно большого диаметра и с довольно высокой скоростью вращения.
Скорость вращения обычного винта ограничена скоростью звука /330 м/с/,за которой начинает действовать "эффект запирания",что весьма ограничивает и реактивные,и нагнетающие возможности системы.На скоростных турбовинтовых самолётах "эффект запирания" преодолевается применением соосных винтов противоположного вращения,создающих эффект,снимающий это самое "запирание".Вероятно,в нашей системе тоже будет целесообразно применение соосных винтов противоположного вращения,хотя это вызывает определённые технологические трудности.

Как уже упоминалось,при нагнетании маршевым винтом под крыло неизбежен некоторый момент горизонтального движения аппарата.Причём,если до отрыва от земли его ещё можно блокировать с помощью торможения шасси,то при надобности зависания в воздухе проблема ещё усугубляется; можно применить тормозное устройство,"по совместительству" выполняющее функцию активного руля,но его тяги,скорее всего,не хватит,чтобы противодействовать мощной реакции винта-нагнетателя,да и расход мощности при этом делает схему нерациональной.
Целесообразное решение видится в том,чтобы винт-нагнетатель сделать поворотным винтом конвертоплана.Для вертикального взлёта и зависания он должен поворачиваться в горизонтальную плоскость параллельно крылу,работая как вертолётный.Для перехода в режим горизонтального полёта он будет постепенно наклоняться вперёд,перенося часть своей тяги и создаваемого потока в горизонтальную плоскость.При этом крыло из положения нулевого угла атаки должно подниматься передней кромкой вверх,увеличивая угол установки относительно обдувающего его создаваемого винтом потока.В какой-то момент подъёмная сила,создаваемая реакцией винта,уравняется с подъёмной силой,создаваемой крылом; дальше можно разворачивать винт в вертикальное положение,переходя при необходимости в режим полёта с принудительным нагнетанием воздуха.А можно выбрать самолётный режим с обычной работой крыла.

Итак,предлагаемая взлётная система состоит из условно перпендикулярных друг другу винта и крыла.Взаимодействие винта с крылом обеспечивается углом атаки,создающимся при наклоне крыла относительно горизонтальной проекции винта /до 30 градусов/.При этом функция конвертируемой системы требует возможности поворота винта относительно килевой линии аппарата и горизонта /свыше 90 градусов,так как в вертолётном режиме должна обеспечиваться возможность заднего хода/.
Вертикальный взлёт и висение обеспечиваются нахождением винта в горизонтальном положении.При этом из-за особенности единственно возможной здесь конструкции половина диаметра винта закрывается снизу крылом,что блокирует нормальный отток воздуха при его работе.Для возможного решения целесообразно применить идею,предложенную изобретателем дискового крыла вертолёта: в крыле сделать отверстия,через которые будет проходить нагнетаемый винтом воздух.При этом не только будет обеспечена функция винта,но и нагнетаемый под крыло воздух повысит эффективность системы в целом.Роль непосредственной несущей поверхности в значительной степени будет передана крылу,что частично разгрузит несущий винт; это актуально в нашем случае,так как узкие лопасти винто-вентилятора плохо приспособлены к роли несущих элементов.
Однако "дырявое" крыло имеет,понятно,ухудшенные качества в своей прямой функции.Здесь напрашивается одно логичное решение,выглядящее экзотично,но позволяющее сделать совершенной систему: закрыть отверстия клапанами,которые будут открываться при давлении воздуха в горизонтальном положении винта и автоматически закрываться при переходе крыла в нормальный режим работы.