Устройство создания подъемной силы над поверхностью воды

Полезная модель относится к средствам, создающим подъемную силу, и может использоваться на быстроходных катерах, суднах большой осадки, а также как в подъемных устройствах, так и в летательных аппаратах тяжелее воздуха, использующих мощность двигателя. Полезная модель также может использоваться в качестве летательного аппарата с вертикальным взлетом и посадкой, стартующих от поверхности воды или летающих вблизи водной поверхности. Техническим результатом полезной модели является повышение КПД и полезной нагрузки, поднимаемой аппаратом. Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство создания подъемной силы, содержащее крыло аэродинамического сечения, полость крыла разделена перегородками с образованием сегмента с радиально-щелевыми соплами, а в каждом сегменте снизу крыла выполнено не менее чем по одной щели, ведущей внутрь сегмента, отличающееся тем, что перед входящим радиально-щелевым соплом крыла установлен насос, выполненный с возможностью подачи посредством водозаборной трубы или шланга жидкости в полость крыла. Кроме того, перед щелью снизу крыла установлен вакуумный насос, выполненный с возможностью откачки воздуха из полости крыла.

Полезная модель относится к средствам, создающим подъемную силу, и может использоваться на быстроходных катерах, суднах большой осадки, а также как в подъемных устройствах, так и в летательных аппаратах тяжелее воздуха, использующих мощность двигателя. Полезная модель также может использоваться в качестве летательного аппарата с вертикальным взлетом и посадкой, стартующих от поверхности воды или летающих вблизи водной поверхности.

В настоящее время самое широкое распространение получил способ получения подъемной силы, когда поток воздуха от работающего в горизонтальной плоскости винта направляется вниз, тем самым, создавая подъемную силу летательного аппарата. На таком принципе основан полет вертолета и некоторых других типов летательных аппаратов. Также часто используется способ, при котором вниз направляется газовая струя от работающего реактивного двигателя, например ракеты. Одним из известных способов получения подъемной силы является создание избыточного давления в ограниченном объеме под самим устройством, как, например, у судна на воздушной подушке, правда, с минимальной высотой подъема над поверхностью. Известен способ создания подъемной силы, при котором используют круглую, неподвижную горизонтальную поверхность, являющуюся несущей плоскостью. Над ней с помощью струи газа от реактивного двигателя создают газовоздушный поток, который направляют равномерно от центра во все стороны таким образом, что он соприкасается с поверхностью только в ее периферийной части, создавая между поверхностью и струей газа замкнутое пространство, в котором за счет эжекции создается некоторое разрежение, которое из-за разности давления под плоскостью и над ней и создает подъемную силу (патент US5031859). Описанный способ реализуется устройством, содержащим корпус с несущей плоской горизонтальной поверхностью и средство для создания замкнутого объема с пониженным давлением над этой поверхностью, выполненное в виде реактивного двигателя, сопловой аппарат которого выполнен с кольцевой щелью, размещенной с уступом над средней частью этой поверхности, так что между ней и газовоздушной струей создается замкнутый объем с пониженным давлением (патент US5031859). Для достижения аналогичного эффекта предлагается способ, в котором струя газа заменена вращающимся ротором с лопастями (патент RU2184658).

Все известные способы и устройства имеют целый ряд существенных недостатков, таких, например, как использование сложнейшего по конструкции, а следовательно, и очень дорогого и сложного в эксплуатации реактивного двигателя, размеры и расход топлива которого затрудняют его использование при создании легких летательных аппаратов. В случае использования ротора с лопастями для создания достаточной подъемной силы может применяться любой, но все равно мощный двигатель. Все эти способы позволяют получить существенные значения подъемной силы при использовании двигательных установок, имеющих, как правило, существенный вес и невысокий КПД.

Известен реактивный способ создания подъемной силы летательному аппарату, в котором создают реактивную воздушную ("летающая тарелка" ж.Техника-молодежи, 11, с.4) или газовую (ракета) струю, которая за счет своей кинетической энергии двигает аппарат вверх. Однако такой способ является малоэкономичным.

Известен способ создания подъемной силы, в котором вращают два или более крыла-лопасти симметричного аэродинамического профиля, расположенные под углом атаки к плоскости вращения Набегающий поток воздуха давит на крыло-лопасть с силой, перпендикулярной к нижней его плоскости. Эта сила разлагается на две составляющие: силу лобового сопротивления и подъемную силу (А.С.Иванов, А.Т.Проказа "Мир механики и техники", Москва, Просвещение, 1993 г., с.183). Этот способ позволяет создать высокоманевренные летательные аппараты - вертолеты, однако вопросы экономичности решены недостаточно.

Известен способ создания подъемной силы, в котором крыло асимметричного аэродинамического профиля перемещают в воздушном пространстве под углом атаки к плоскости перемещения. Подъемная сила возникает по двум причинам: из-за асимметричности профиля крыла и из-за положительного угла атаки. Асимметричность крыла заключается в том, что верхняя часть крыла выпуклая, а нижняя - плоская. В соответствии с принципом неразрывности струи газа (воздуха) набегающего на крыло, верхняя часть струи будет обтекать выпуклую сторону крыла, имеющую более длинный путь, с большей скоростью, чем нижняя часть струи, будет обтекать плоскую сторону крыла. По закону Бернулли давление газа больше там, где скорость меньшая. Вторая причина возникновения подъемной силы такая же как у лопастей вертолета: набегающий поток воздуха давит на крыло с силой, перпендикулярной к нижней его плоскости, которая разлагается на силу лобового сопротивления и подъемную силу ("Мир механики и техники", с.184). Этот способ позволяет создать высокоэкономичные летательные аппараты - самолеты, однако маневренность самолетов ограничена. Самолет для поддержания равновесия между подъемной силой и силой тяжести должен постоянно двигаться со скоростью, превышающей минимально возможную. Известен способ создания подъемной силы (заявка RU2000101530, опубликована 10.11.2001 г.), в котором крыло аэродинамического профиля выполняют в форме конусного кольца, усеченная вершина конуса которого направлена вверх, и угол конусности которого соответствует углу атаки. В центральной части крыла создают равномерный радиально в горизонтальном направлении и по высоте крыла воздушный поток с помощью центробежного вентилятора. Воздушный поток, создаваемый в центре конусного кольцевого крыла, имеющего асимметричный профиль, попадая на крыло, создает подъемную силу по тем же причинам, что на крыле самолета, т.е. по двум причинам: из-за асимметричности профиля крыла и из-за положительного угла атаки. В соответствии с принципом неразрывности струи газа (воздуха), набегающего на крыло, верхняя часть струи будет обтекать выпуклую сторону крыла, имеющую более длинный путь, с большей скоростью, чем нижняя часть струи, будет обтекать плоскую сторону крыла. По закону Бернулли давление газа больше там, где скорость меньшая. По второй причине возникновение подъемной силы следующее: создаваемый поток воздуха давит на крыло с силой, перпендикулярной к нижней его плоскости, которая разлагается на силу лобового сопротивления и подъемную силу. Этот способ позволяет создать летательные аппараты вертикального взлета, однако их горизонтальная устойчивость ограничена. Известен способ создания подъемной силы (патент RU2089458), в котором крыло аэродинамического профиля выполняют в форме конусного кольца, усеченная вершина конуса которого направлена вниз. В центральной части крыла создают равномерный в вертикальном направлении воздушный поток с помощью осевого вентилятора. Вертикальный воздушный поток, создаваемый в центре конусного кольцевого крыла, имеющего асимметричный профиль, создает подъемную силу по тем же причинам, что на крыле самолета, т.е. из-за асимметричности профиля крыла. Этот способ позволяет создать летательные аппараты вертикального взлета, обладающие хорошей горизонтальной устойчивостью, однако здесь имеет место неэффективное использование площади крыла для создания подъемной силы. Аппарат плохо и медленно маневрирует, имеет слабую подъемную силу.

Известен способ создания подъемной силы летательному аппарату вертикального взлета (патент RU2305649), в котором крыло аэродинамического сечения выполняют в форме кольца, в котором верхнюю поверхность выполняют выпуклой, а нижнюю - плоской, в центральной части которого создают равномерный поток воздуха, который обтекает верхнюю и нижнюю поверхности крыла, чем обеспечивают разность давлений между верхней и нижней поверхностями крыла, отличающийся тем, что над частью верхней поверхности крыла располагают рабочее колесо центростремительного вентилятора, лопатки которого с верхней стороны ограничивают плоской или конусообразной поверхностью, а с нижней стороны располагают в непосредственной близости от верхней поверхности крыла, под частью нижней поверхности крыла располагают рабочее колесо центробежного вентилятора, лопатки которого с верхней стороны расположены в непосредственной близости от нижней поверхности крыла, а с нижней стороны ограничивают плоской или конусообразной поверхностью, размещают колеса центростремительного и центробежного вентиляторов на одном валу, при этом совмещают камеру повышенного давления центростремительного вентилятора с камерой пониженного давления центробежного вентилятора, вращают вал, чем обеспечивают захват воздуха с верхней поверхности крыла и подачу его через общую камеру под нижнюю поверхность крыла. Однако и такой аппарат плохо и медленно маневрирует, имеет слабую подъемную силу.

Известен летательный аппарат (патент RU93361U), в котором крыло аэродинамического сечения выполнено в форме кольца с полостью, отличающийся тем, что полость крыла разделена перегородками с образованием равных сегментов с радиально-щелевыми соплами, имеющими в разрезе форму конуса или соплами Лаваля, функция которых подача через них воздуха, а в каждом сегменте сверху и/или снизу крыла выполнено не менее чем по одной щели, ведущей внутрь каждого сегмента, причем щели выполнены с возможностью перекрытия их посредством клапанов.

Недостатком такого ЛА является большие затраты топлива на взлет вследствие малой эффективности выброса реактивных струй воздуха. Замена воздуха на воду усилила бы эффективность реактивной силы, но в данном патенте это решение не рассмотрено. Кроме того, оно потребовало бы бака с водой, который требовалось бы ЛА транспортировать с собой, что снижало бы полезную нагрузку ЛА.

Наиболее близким аналогом является СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ по патенту России 2260545. Группа изобретений относится к авиации, касается создания летательных аппаратов с вертикальным взлетом и посадкой, а также может использоваться в подъемных устройствах (ПУ). Способ создания подъемной силы (ПС) понижением давления в замкнутом объеме (30) над несущей поверхностью (НП) при наличии под ней атмосферного давления, за счет разности которых возникает ПС, состоит в том, что 30 образуют перекрытием верхней открытой части камеры (К) плоской струей (ПС) жидкости (Ж). Способ может предусматривать понижение давления в 30 откачкой из него воздуха вакуумным насосом. Устройство создания ПС имеет, по меньшей мере, один корпус с НП и, по меньшей мере, одно средство для создания 30 с пониженным давлением над соответствующей поверхностью. Каждый корпус выполнен в виде К, открытой сверху, и с дном, образующим НП. Каждое средство для создания 30 выполнено в виде щелевидного сопла (ЩС), соединенного со средством подачи Ж и размещенного в верхней части соответствующей К с возможностью создания ПС, перекрывающей верхнюю открытую часть К с образованием в ее полости 30. Камеры могут располагаться друг над другом так, что их НП параллельны, или так, что их НП лежат в одной плоскости. По меньшей мере, одна К может иметь возможность расположения НП под углом к горизонтальной плоскости. Камера может быть прямоугольной в сечении, параллельном НП, при этом ЩС, установленное на ее боковой поверхности, имеет возможность образования прямоугольной ПС или круглой и тогда ЩС также имеет круглую форму и размещено в К концентрично ее сечению с возможностью создания расходящейся кольцевой ПС. На каждой К напротив ЩС может располагаться входное отверстие приемного канала, соединенного с резервуаром, который соединен со средством подачи Ж.

Данное изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в упрощении способа и устройства, снижении энергозатрат и повышении КПД, который позволяет создать устройство, лишенное всех вышеперечисленных недостатков, и с его помощью создать подъемное устройство или летательный аппарат с высокими техническими показателями.

Недостатки прототипа заключаются в том, что запас жидкости значительно снижает полезную нагрузку. При увеличении разрежения давление окружающего воздуха будет смещать струю жидкости и она может не попасть в приемное отверстие приемного канала. Это снижает эффективность формирования зоны разрежения, а струя, идущая мимо приемного отверстия быстро приводит к разрушению корпуса ЛА на базе данного патента.

Целью полезной модели является создание устройства, обеспечивающего подъемную силу, которое лишено недостатков, присущих аналогам.

Техническим результатом полезной модели является повышение КПД и полезной нагрузки, поднимаемой аппаратом.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство создания подъемной силы, содержащее крыло аэродинамического сечения, полость крыла разделена перегородками с образованием сегмента с радиально-щелевыми соплами, а в каждом сегменте снизу крыла выполнено не менее чем по одной щели, ведущей внутрь сегмента, отличающееся тем, что перед входящим радиально-щелевым соплом крыла установлен насос, выполненный с возможностью подачи посредством водозаборной трубы или шланга жидкости в полость крыла. Кроме того, перед щелью снизу крыла установлен вакуумный насос, выполненный с возможностью откачки воздуха из полости крыла.

Благодаря отсутствию потребности в наличии бака с водой обеспечивается возможность повышения полезной нагрузки, поднимаемой аппаратом. Повышение КПД достигается посредством формирования строго обособленной зоны эжекции, в отличии от прототипа, где не требуется попадания в приемное отверстие и дополнительной силы реактивной струи жидкости, выходящей из щелевого отверстия между перегородками крыла.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показано конструктивное устройство создания подъемной силы, где 1 - крыло с полостью, 2 - насос, 3 - струя жидкости, 4 - вакуумный насос, 5 - область разрежения, 6 - водозаборная труба, 7 - водоем.

На Фиг.2 показан пример конструктивного устройства ЛА на основе полезной модели, где 8 - поплавок, 9 - турбореактивный двигатель, 10 - топливный бак, 11 - корпус ЛА (грузовой, пассажирский и топливный отсеки), 12 - направление выхлопа воздушной струи.

Осуществление полезной модели

Насос (2) через водозаборную трубу (6) засасывает воду из водоема (7) и под давлением пропускает ее через полость (1). Струя воды (3) проходит полость, прижимаясь к верхней стенке под действием центробежной силы. Центробежная сила компенсирует давление окружающего воздуха на верхнюю стенку. Выбрасываясь вниз, прошедшая полость струя воды, создает дополнительную подъемную силу. В полости образуется область низкого давления (5), изолированная от окружающей среды, так как выходная щель перекрывается струей воды. Струя воды за счет эжекции отсасывает воздух из полости, создавая пониженное давление в ней. Для увеличения силы разрежения может быть предусмотрен вакуумный насос (4). Подъемная сила возникает за счет разности давлений на нижнюю стенку и действия реактивной силы струи.

Крыловую часть полезной модели можно использовать в быстроходных судах, катерах, яхтах. Насос закачивает забортную воду и с большой скоростью прогоняет ее через полость и выбрасывает наружу, по типу водомета. Вода, выходя из полости с большой скоростью, создает тягу и одновременно подъемную силу, которая уменьшает осадку судна. Если установить несколько таких полостей, корпус судна может почти полностью выйти из воды, кроме водозаборного устройства. Получиться высокоскоростное судно. По этому же принципу можно создать экраноплан. Можно также использовать в подъемных устройствах как показано на Фиг.1.

При оснащении ЛА не менее четырьмя крыльями с полостью типа (1), топливным баком (10), турбореактивным двигателем (9) и поплавками (8), устройство самостоятельно может перемещаться вдоль водной поверхности на небольшой высоте (нескольким метров). Стартуя от поверхности воды, где ЛА плавает на поплавках (8), под действием реактивной силы струй воды (3) и разности давлений на нижнюю стенку крыла (1) возникает подъемная сила, приподнимающая ЛА немного над водой. За счет турбореактивного двигателя (9) придается направленное движение ЛА над водой в нужном направлении.

1. Устройство создания подъемной силы, содержащее крыло аэродинамического сечения, полость крыла разделена перегородками с образованием сегмента с радиально-щелевыми соплами, а в каждом сегменте снизу крыла выполнено не менее чем по одной щели, ведущей внутрь сегмента, отличающееся тем, что перед входящим радиально-щелевым соплом крыла установлен насос, выполненный с возможностью подачи посредством водозаборной трубы или шланга жидкости в полость крыла.

2. Устройство создания подъемной силы по п.1, отличающееся тем, что перед щелью снизу крыла установлен вакуумный насос, выполненный с возможностью откачки воздуха из полости крыла.