Винтокрыл с "реактором Магнуса"

Преимущества винтокрыла перед другими вертикально взлетающими аппаратами известны. Как и недостатки.
К первым относится, в первую очередь, независимость подъёмной силы от горизонтальной тяги, что отражается в удобстве и безопасности управления, а также экономии мощности (несущие винты в скоростном полёте находятся в режиме авторотации). Наклоняющийся вперёд винт вертолёта вносит дисбаланс в центровку, заставляя аппарат наклоняться вперёд - у винтокрыла винт расположен в полёте прямо по горизонту и такого "эффекта" не даёт. Отсутствие необходимости в глубоком наклоне винта для создания горизонтальной тяги упрощает конструкцию, делает её более приемлемой с точки зрения аэродинамики.
Однако этот же принцип раздельности подъёмной силы и горизонтальной тяги оборачивается недостатком. Наличие специального активного органа для создания подъёмной силы - преодоления силы тяжести - в принципе нерационально. С этой точки зрения наклоняющийся винт вертолёта более рационален: пропульсивная сила в нём как бы вытекает из подъёмной. У винтокрыла же эти силы друг другу перпендикулярны. Причём несущий винт только мешает работать тянущим, создавая вредный вихревой поток. Когда эксплуатационный момент требует режима висения, отдельный тяговый аппарат становится бесполезен (причём его включение при дальнейшей надобности представляет определённое неудобство). Ведь недаром существующие схемы винтокрылов не нашли широкого применения.

Система была бы достаточно рациональной, если при конструктивной раздельности несущий и пропульсивный элементы были бы взаимополезны энергетически. Вариант с обдувом несущей системы тянущей известен - некоторые самолёты могут даже висеть неподвижно на обдуваемых двигателями крыльях. Однако в этом случае подъёмная сила зависит от горизонтальной тяги, в следствие чего работать в режиме висения (а также реверса) аппарат не может. Стабильная работа несущего элемента в потоке пропульсивного требует особых параметров второго, что делает систему неэффективной аэродинамически (требуется движитель увеличенного сечения, что усиливает лобовое сопротивление).

Итак, несущий элемент должен иметь способность к независимой работе. Однако, являясь "неизбежным злом", он был бы гораздо меньше таковым, если бы каким-то образом обеспечивал работу пропульсивного движителя. Как это возможно?
Как от тянущего винта, так и от несущего исходит поток нагнетаемого лопастями воздуха - в противоположность засасывающей стороне, которая обеспечивает основную часть (2/3) их тяги. Отбрасываемый же уплотнённый воздух для самого винта почти бесполезен. Однако при этом несёт немалую энергию в виде уже не реактивной, а активной силы. Естественно, этот поток может совершать полезную работу. Если в нём поместить под некоторым углом аэродинамическую плоскость - "парус" -,получится некоторая горизонтальная тяга. Однако у летательного аппарата это полувертикальное крыло при невысокой эффективности создаст огромное лобовое сопротивление.

Известен довольно эффективный способ перевода действия потока из одной плоскости в другую. Это использование эффекта Магнуса: если вращающийся цилиндр поместить в поток, на нём возникнет поперечная к потоку сила.
Применение эффекта Магнуса для создания тяги на активном движителе известно благодаря гениальному Антону Флэттнеру, предложившему установить на судне вместо паруса ротор, что при возможности изменения направления его вращения позволяет получать тягу независимо от направления ветра. Во времена Флэттнера эта идея развития не получила, техника была занята другим. Но вот в 1970-х годах инженеры команды знаменитого Ж.-И. Кусто создают роторные паруса для его "Алкионы". Они представляли собой усовершенствованный ротор Флэттнера, в котором цилиндр помещён за крыло-обтекатель, направляющее поток и не позволяющее возникать завихрениям при его обтекании. Возникшая на таком парусе тяга была впечатляющей - она в разы превосходила возникающую на обычном парусе эквивалентной площади.

Заметим, что в ветряном движителе требуемая сила возникает при скорости потока (и ротора соответственно) порядка 20 м/с, - у потока, отбрасываемого винтом, она на порядок больше. Конечно, площадь цилиндра, который можно поместить под винт, тоже на порядок меньше, чем у паруса. Всё равно нужно иметь в виду бОльшую интенсивность процесса при использовании такой системы в потоке винта. Отбрасываемый лопастью поток имеет 100 - 150 м/с, такую же окружную скорость должен иметь принимающий его ротор. Размеры цилиндра для работы под винтом среднего винтокрыла (диаметр винта порядка 20 метров) - ширина от 4 до 8 метров, диаметр от 2 до 4 метров; последний ограничен практически диаметром фюзеляжа. Цилиндр размещается в проекции заднего сектора винта, где при движении аппарата сосредоточивается воздушная плотность. Желательно использование скоростных потоков околоокружной широты, на что и ориентирована данная схема установки.

Вариант со "свободным" цилиндром практически неприемлем для летательного аппарата, так как он вызовет огромное лобовое сопротивление, а в потоке винта даст высокий уровень завихрений, что вызовет значительные потери энергии. Поэтому необходимым будет размещение перед цилиндром закрывающего его по диагонали крыла-обтекателя. Это в минимальном, так сказать, варианте. Эффективность установки повысится, если направляющую плоскость разместить и с задней стороны цилиндра: сходящиеся к центру плоскости будут выполнять роль ускоряющего канала, в котором воздух уплотняется и разгоняется.

Как это нередко бывает, приходится выбирать между эффективностью системы и простотой конструкции. Приемлемое управление ротором требует его поперечного поворота до 180% - для обеспечения реверса и бокового хода при повороте на 90%. В случае с односторонним крылом-обтекателем цилиндр может поворачиваться на его плоскости отдельно, само крыло может быть неподвижным, но тогда потребуется наклон оси поворота цилиндра в соответствии с наклоном этой плоскости, что нежелательно: при этом вектор тяги ротора сместится на соответствующий угол - будет частично направлен вверх, что будет приводить к потере мощности системы и вносить в неё дисбаланс.
Есть и третий - самый простой - вариант, в свете которого на первый взгляд вообще кажется непонятным, зачем потребовались два выше описанных. Это сделать ротор неподвижным относительно поперечного расположения. В этом случае разворот на месте будет обеспечиваться несущими винтами, а в скоростном полёте - аэродинамическими рулями. Но тяга несущего винта винтокрыла, направляемая горизонтально, невелика из-за небольшого угла наклона, и эффективность разворота с его помощью может оказаться недостаточной. Таким же способом с таким же недостатком должен будет обеспечиваться и реверс.
В принципе, и разворот, и задний ход жёстко сидящие роторы обеспечить могут. Вращаясь в противоположную сторону, они изменят вектор тяги на противоположный. Назад сможет действовать сила, равная передней тяге, а, вращаясь в противоположные стороны, роторы обеспечат мощное разворачивающее действие. Но дело в том, что при управлении летательным аппаратом это практически неприемлемо: цилиндр, имеющий при своих оборотах немалую инерцию, нужно вначале затормозить, а затем придать ему импульс обратного вращения, - на это уйдёт время, которого в полёте нет. Управление жёсткими роторами можно оставить лишь как некое резервное, для режима висения и медленных перемещений.
Выбор в пользу жёстких роторов всё же соблазнителен в силу ряда возможностей, которые он даст.

Привод поворачивающихся на поперечной оси роторов требует сложной, "изощрённой" конструктивной схемы. Он делается через центральное кольцо-держатель с подводом к нему через изогнутую трубку гидравлического канала (прямого и возвратного) от основной энергетической установки. Возможен и электрический привод, но нам он представляется нежелательным на воздушном судне.
К жёстким же роторам передача возможна простая и эффективная. В качестве рабочего тела пойдут либо выхлопные газы двигателей, либо воздух из коипрессора. Важно, что труба пневматической (или пиропневматической) передачи будет заходить с плоского торца ротора (основания цилиндра), что не требует её множественных изгибов и не ограничивает в толщине. И конечным элементом привода здесь могут быть реактивные сопла в цилиндре, делая его сам двигателем для себя. Возникающий на нём эффект Коанда будет направлен против его вращения, но это проблема преодолимая. При неиспользовании активного действия вытекающих из сопел струй она решается просто: над соплом делается экран, рассеивающий струю. Но заманчиво открывающийся при работе реактивного привода эффект обдува поверхности использовать. И это возможно. Вокруг ротора делается неподвижная конструкция из лопаток, направляющих струи в противоположную сторону - по вращению цилиндра. Так эффект Магнуса можно сочетать с эффектом Коанда.
Наконец, возможен простейший вариант привода - раскручиванием за ось. Его тоже не следует игнорировать как дающий ряд преимуществ - предельную простоту конструкции и удобство управления, связанное с тем, что управляющие элементы не требуется переносить в цилиндр и устанавливать с ними контакт. В этом варианте ротор может вращать удобно управляемая гидравлическая машинка.

Для эффективной работы "реактора Магнуса" требуется система, дающая обдувающий роторы плотный стабильный поток. Обычные винты вертолётов и винтокрылов, работа которых связана с изменением общего и циклического шага за оборот, такого не обеспечивают. Кроме того, желательна высокая скорость движения лопастей, соответствующая скорости используемого на роторах потока. То есть винт должен выполнять функцию вентилятора, и соответственно иметь с ним общее в конфигурации. Нужны винты сравнительно небольшого диаметра и высокой степени покрытия, то есть с большим числом лопастей.
Однако плотное заполнение диска лопастями делает винт неэффективным. Выход видится в объёмном расположении лопастей - в "шахматном порядке" по высоте оси, то есть заполненный лопастью сектор внизу соответствует незаполненному вверху. Благодаря этому расстояние между лопастями достижимо приемлемое.

Требование направленного, обеспечивающего его эффективное использование оттока воздуха определяет принципы установки винтов у винтокрыла с "реактором Магнуса". Через роторы должна проходить скоростная часть потока, генерируемая концевыми отрезками лопастей. Для максимального избежания бесполезного поглощения энергии потоков диски размещаются без перекрытия. Собственно, приемлемая схема здесь совпадает с традиционной для винтокрыла - два винта поперечного расположения. Устанавливаются они на крыле обратного сужения, обеспечивающего наилучший отток воздуха от периферийных и окружных частей дисков (патент конструкторов вертолёта В-12). В скоростном полёте крылом может создаваться до 50% подъёмной силы.
Центр цилиндра совпадает с центром заднего сектора диска: так отбрасываемый винтом поток будет использоваться максимально, с учётом скоростного оттока воздуха назад в полёте.

Привод двух несуще-тянущих групп наиболее удобен от двух двигателей. Жёсткой синхронизации вращения ни два неперекрытых винта, ни два ротора-цилиндра не требуют. Однако в приводе они должны быть связаны для объединения крутящего момента на случай отказа одного из двигателей.
Для удобства распределения мощности по разным элементам желательно централизованное размещение двигательной установки - по два ГТД на фюзеляже. Причём в связи с необходимостью привода роторов-цилиндров целесообразно их размещение в задней части фюзеляжа.
Привод несущих винтов представляется наиболее целесообразным гидравлический динамического типа, в такой системе нежёсткая синхронизация обеспечивается принципом Бернулли. Приводные гидродвигатели связываются через центральный насос кольцевым током циркулирующей жидкости.
Наилучший привод роторов-цилиндров - газовый от выхлопа двигателей.

Итак, несуще-тянущую систему винтокрыла предлагаемой схемы представляют группы из винтов и цилиндров-роторов (собственно, "реакторы Магнуса" по нашему названию). Элементы работают в одностороннем взаимодействии, энергетическую базу которого составляют несущие винты. Вращение цилиндров нужно лишь для создания на них известного эффекта и требует небольшой мощности, не сравнимой с достигаемым эффектом (по принципу он является активной тягой, как паруса, не имеющего источника энергии изнутри).
В отличие от традиционного винтокрыла, предлагаемый требует принудительного вращения несущих винтов на всём протяжении полёта, что может быть признано недостатком. Однако в скоростном полёте потребляемая ими мощность в разы уменьшается от взлётной, встречный поток значительно облегчает их работу. При этом орган непосредственной горизонтальной тяги внутреннего расхода энергии практически не требует.