Крыло летательного аппарата с укороченной дистанцией взлета и посадки
Полезная модель относится к гидроаэромеханике и может быть использована в области летательных аппаратов с укороченной дистанцией взлета и посадки, предназначенных, например, для проведения аэрогеологоразведки твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых (в том числе нефти и природного газа) в труднодоступных местах. Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении подъемной силы летательного аппарата, что способствует повышению эффективности проведения аэрогеологоразведки твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых (в том числе нефти и природного газа) в труднодоступных местах, в районах со сложным рельефом местности, с обеспечением укороченной дистанции взлета и посадки летательного аппарата, а также повышенной пожарной безопасности этого аппарата. Для достижения технического результата предложено крыло летательного аппарата с укороченной дистанцией взлета и посадки, имеющее симметричный профиль и оснащенное помещенным внутри источником акустических колебаний (3), примыкающим непосредственно к нижней поверхности (2) крыла и отделенным от верхней поверхности (1) крыла акустическим экраном (4), выполненным из звукоизоляционного материала. Согласно полезной модели, внутри крыла между акустическим экраном (4) и верхней поверхностью (1) крыла дополнительно установлен термоэкран (5), выполненный из теплоизоляционного материала. 1 илл.
Полезная модель относится к гидроаэромеханике и может быть использована в области летательных аппаратов с укороченной дистанцией взлета и посадки, предназначенных, например, для проведения аэрогеологоразведки твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых (в том числе нефти и природного газа) в труднодоступных местах.
Известны варианты крыла летательного аппарата, имеющего несимметричный профиль (Патент РФ 
RU 2461492 C2, дата приоритета 01.11.2010 г., дата публикации 10.05.2012 г., Базиев Д.Х., RU).
Недостатком данных устройств является высокий коэффициент лобового сопротивления, сложность конструкции и трудоемкость изготовления крыльев несимметричного профиля (Кондратьев В. Самый лучший профиль // Крылья Родины, 2, 1987 г., с.20-25).
Известно крыло симметричного профиля, внутри которого установлен источник теплового излучения, примыкающий непосредственно к нижней поверхности крыла и отделенный от верхней поверхности крыла термоэкраном, выполненным из материала, обладающего теплоизоляционными свойствами (Патент РФ RU 130949 U1, дата приоритета 18.02.2013 г., дата публикации 10.08.2013 г., Бражников А.В. и др., RU).
Недостатком данного устройства является повышенная пожароопасность летательного аппарата вследствие того, что для создания необходимой подъемной силы крыла требуется обеспечение значительного нагрева воздуха под крылом.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является взятое за прототип крыло симметричного профиля, внутри которого установлен источник акустических колебаний, примыкающий непосредственно к нижней поверхности крыла и отделенный от верхней поверхности крыла акустическим экраном, выполненным из звукоизоляционного материала (Патент РФ RU 141563 U1, дата приоритета 09.01.2014 г., дата публикации 10.06.2014 г., Бражников А.В. и др., RU, прототип).
Недостатком прототипа является недостаточно высокое значение коэффициента подъемной силы крыла, обусловленное снижением разности давлений воздуха непосредственно над и под крылом вследствие нагрева верхней поверхности крыла, которое возникает в результате преобразования в акустическом экране энергии акустических колебаний, вырабатываемых источником этих колебаний, в тепловую энергию.
Задачей полезной модели является увеличение подъемной силы крыла симметричного профиля, внутри которого установлен источник акустических колебаний, примыкающий непосредственно к нижней поверхности крыла летательного аппарата с укороченной дистанцией взлета и посадки.
Для решения поставленной задачи предложено крыло летательного аппарата с укороченной дистанцией взлета и посадки, имеющее симметричный профиль, оснащенное помещенным внутри источником акустических колебаний, примыкающим непосредственно к нижней поверхности крыла и отделенным от верхней поверхности крыла акустическим экраном, выполненным из звукоизоляционного материала. Новым является то, что внутри крыла между акустическим экраном и верхней поверхностью крыла дополнительно установлен термоэкран, выполненный из материала, обладающего теплоизоляционными свойствами.
В качестве источника акустических колебаний может быть использован, например, электрогенератор акустического шума (электроакустический вибратор).
Акустический экран может быть выполнен, например, из газобетона.
Термоэкран может быть выполнен, например, из пеностекла.
При установке внутри крыла источника акустических колебаний, примыкающего непосредственно к нижней поверхности крыла и отделенного от верхней поверхности крыла только одним экраном, - акустическим (выполненным из звукоизоляционного материала), - энергия акустических колебаний не достигает верхней поверхности крыла (вследствие звукоизоляции этой поверхности от источника акустических колебаний), но преобразуется внутри акустического экрана в тепловую энергию, которая нагревает не только нижнюю, но и верхнюю поверхность крыла и передается потокам воздуха, обтекающим крыло как снизу, так и сверху. В результате этого полной энергоизоляции верхней поверхности крыла от источника акустических колебаний не происходит, и обеспечиваемая в результате работы источника акустических колебаний разность давлений воздуха над и под крылом (а вследствие этого, и подъемная сила, действующая на крыло) оказывается меньше той, которая могла бы быть получена при более эффективной энергоизоляции верхней поверхности крыла от источника акустических колебаний.
Установка между акустическим экраном и верхней поверхностью крыла термоэкрана (выполненного из материала, обладающего теплоизоляционными свойствами), позволяет повысить энергоизоляцию (а именно, - термоизоляцию) верхней поверхности крыла от источника акустических колебаний, а вследствие этого - увеличить разность энергий и давлений потоков воздуха, обтекающих крыло сверху и снизу и, тем самым, повысить подъемную силу, действующую на крыло в процессе работы источника акустических колебаний.
При обтекании воздухом крыла, имеющего симметричный профиль, к нижней поверхности которого примыкает источник акустических колебаний, размещенный внутри крыла и отделенный от верхней поверхности крыла акустическим экраном и термоэкраном, полная удельная энергия потока воздуха, обтекающего крыло снизу, будет больше полной удельной энергии потока воздуха, обтекающего крыло сверху, во-первых, вследствие передачи первому (т.е. потоку воздуха, обтекающему крыло снизу) энергии от источника акустических колебаний в виде акустической энергии (непосредственно от источника акустических колебаний), во-вторых, вследствие передачи ему тепловой энергии (от акустического экрана, в котором акустическая энергия преобразуется в тепловую энергию), и, в-третьих, - вследствие максимальной энергоизоляции (т.е. акустической и тепловой изоляции) верхней поверхности крыла от источника акустических колебаний.
Таким образом, имеет место неравенство
где
e1=Е1/m1 , e2=E2/m2; E1 и е1 - соответственно полная и полная удельная энергия элементарного потока воздуха, обтекающего крыло сверху; E 2 и e2 - соответственно полная и полная удельная энергия элементарного потока воздуха, обтекающего крыло снизу; m1, m2 - массы элементарных потоков воздуха, обтекающих крыло сверху и снизу соответственно;
E2 и e2 - соответственно приращение полной и полной удельной энергии элементарного потока воздуха, обтекающего крыло снизу;
E2.A - приращение полной элементарного потока воздуха, обтекающего крыло снизу, порожденное механическими колебаниями частиц этого потока воздуха, возбужденными в потоке источником акустических колебаний; E2.T - приращение полной элементарного потока воздуха, обтекающего крыло снизу, порожденное механическими колебаниями частиц этого потока воздуха, возбужденными в потоке источником акустических колебаний
Под элементарным потоком подразумевается плоский поток, вертикальный размер и площадь живого сечения которого стремятся к нулю (Гейер В.Г., Дулин B.C., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод. М.: Недра, 1991 г., 331 с.).
Известно (Прокопович М.Р. Колебания и волны. В 2-х ч. Хабаровск: Издательство ДВГУПС, 2002. Ч. 1: 79 с. Ч. 2: 78 с.), что
где A - амплитуда колебаний частиц элементарного потока воздуха, обтекающего крыло снизу, возбужденных источником акустических колебаний; 
0 - угловая частота колебаний частиц элементарного потока воздуха, обтекающего крыло снизу, возбужденных источником акустических колебаний.
Также известно (Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1980 г., 512 с.), что:
где kET - коэффициент пропорциональности, T1 - абсолютная температура (по шкале Кельвина) потока воздуха, обтекающего крыло сверху; T2 - абсолютная температура (по шкале Кельвина) потока воздуха, обтекающего крыло снизу.
Из (3)-(7) следует, что
где
Кроме того, известно (Гейер В.Г., Дулин B.C., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод. М.: Недра, 1991 г., 331 с.), что в общем случае:
u1 и u2 - скорости обтекания крыла потоками воздуха непосредственно над и под крылом соответственно; 
1 и 2 - значения давления непосредственно над и под крылом соответственно; 
1 и 2 - значения плотности воздуха непосредственно над и под крылом соответственно; z1 и z2 - геометрические высоты верхней и нижней точек крыла соответственно относительно плоскости сравнения потенциальной энергии. При симметричном профиле крыла и угле атаки крыла, равном нулю,
В качестве плоскости сравнения потенциальной энергии, от которой отсчитываются величины z1 и z 2, всегда может быть выбрана горизонтальная плоскость, удаленная от крыла так, что будет выполняться неравенство
где C - абсолютная толщина профиля крыла, т.е. максимальное расстояние от верхней до нижней поверхности профиля крыла в сечении, перпендикулярном хорде крыла,
В этом случае можно считать, что
Тогда неравенство (1) с учетом (10)-(12) и (15) принимает вид
Температура воздуха, находящегося непосредственно под крылом, выше не только температуры воздуха, находящегося над крылом, но и температуры непосредственно примыкающих к нему снизу более холодных соседних массивов воздуха. Это объясняется следующим. Во-первых, при передаче энергии от источника акустических колебаний частицам воздуха, находящимся под крылом, и от одной частицы воздуха к другой, часть этой энергии теряется. При этом затрачиваемая часть акустической энергии превращается в тепловую энергию и расходуется на нагрев воздуха, находящегося непосредственно под крылом. Во-вторых, этот воздух нагревается в местах контакта воздуха, находящегося непосредственно под крылом, с акустическим экраном, в котором акустическая энергия колебаний, возбуждаемых источником акустической энергии, преобразуется в тепловую энергию.
Поскольку в реальных ситуациях скорость обтекания крыла воздухом имеет большие значения, то за время обтекания воздухом крыла воздух, находящийся под крылом, практически не успевает передать тепловую энергию, полученную им от источника акустических колебаний (в результате затухания этих колебаний при их передаче от одной частицы воздуха к другой) и акустического экрана, примыкающим к нему более холодным соседним массивам воздуха. Поэтому процессы, протекающие в воздухе под крылом, можно рассматривать как адиабатические (т.е. изоэнтропийные).
Кроме того, вследствие упомянутой выше скоротечности процессов, происходящих под крылом, эти процессы можно рассматривать не только как адиабатические (изоэнтропийные), но и как изохорные, т.е. в течение этих процессов плотность воздуха практически не успевает измениться за время обтекания воздухом нижней поверхности крыла, т.е. можно считать, что
Из (16) и (17) следует, что при передаче потоку воздуха, обтекающего крыло снизу, энергии акустических колебаний от источника этих колебаний и тепловой энергии от акустического экрана (в местах соприкосновения этого потока с названным экраном), а также вследствие энергоизоляции (т.е. акустической и термоизоляции) верхней поверхности крыла от нижней, выполняется неравенство
что приводит к увеличению подъемной силы на величину
или, с учетом (4)-(12) и (15):
где S - общая площадь поверхности крыла, равная сумме площадей нижней и верхней поверхностей крыла.
При этом результирующая подъемная сила, действующая на крыло, определяется по формуле
где F0 - подъемная сила, порожденная ненулевым углом атаки крыла.
Изложенная сущность поясняется графически в виде схемы крыла, где 1 - верхняя поверхность крыла, 2 - нижняя поверхность крыла, 3 - источник акустических колебаний, 4 - акустический экран, 5 - термоэкран.
Устройство работает следующим образом.
При обтекании верхней 1 и нижней 2 поверхностей крыла симметричного профиля поток воздуха, обтекающий крыло снизу, получает дополнительную энергию от источника акустических колебаний 3 и акустического экрана 4 (от последнего - в виде теплового излучения). При этом акустический экран 4 осуществляет акустическую изоляцию верхней поверхности 1 крыла от источника акустических колебаний 3, а термоэкран 5 - тепловую изоляцию верхней поверхности 1 крыла от акустического экрана 4, в котором происходит преобразование энергии акустических колебаний, вырабатываемых источником акустических колебаний 3, в тепловую энергию. В результате этого обеспечивается разность полных удельных энергий потоков воздуха, обтекающих крыло сверху и снизу. Следствием этой разности полных удельных энергий является то, что давление воздуха под крылом становится больше давления воздуха над крылом. Эта разность давлений, порожденная разностью полных удельных энергий воздуха над и под крылом, приводит к увеличению подъемной силы, действующей на крыло, на величину, определяющуюся по формуле (21).
Технический результат предлагаемого устройства, заключающийся в повышении подъемной силы летательного аппарата, способствует повышению эффективности проведения аэрогеологоразведки твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых (в том числе нефти и природного газа) в труднодоступных местах, в районах со сложным рельефом местности, с обеспечением укороченной дистанции взлета и посадки летательного аппарата, а также повышенной пожарной безопасности этого аппарата.
При этом технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства обусловлена расширением области земной поверхности, доступной для проведения аэрогеологоразведки твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых (в том числе нефти и природного газа), с точки зрения рельефно-ландшафтных особенностей земной поверхности из-за возможности использования меньших по протяженности ровных ее участков в качестве взлетно-посадочных полос, необходимых для взлета и посадки летательного аппарата (например, самолета), предназначенного для проведения названной аэрогеологоразведки в труднодоступных местах.
Крыло летательного аппарата с укороченной дистанцией взлета и посадки, имеющее симметричный профиль и оснащенное помещенным внутри источником акустических колебаний, примыкающим непосредственно к нижней поверхности крыла и отделенным от верхней поверхности крыла акустическим экраном, выполненным из звукоизоляционного материала, отличающееся тем, что внутри крыла между акустическим экраном и верхней поверхностью крыла дополнительно установлен термоэкран, выполненный из материала, обладающего теплоизоляционными свойствами. 
РИСУНКИ
