Переворот в технике – увеличение подъёмной силы крыла вдвое.

Н.Н. Воробьёв

 


 

Введение

 Мечтой человека с давних времен было научиться летать. Известны попытки планирования с помощью крыльев, похожих на крылья птиц. Однако полёт, даже с применением специальных устройств, за счёт мускульной силы человека не получался – её было недостаточно. Поэтому  старания древних учёных, начиная с  Аристотеля, Пифагора и Леонардо да Винчи, да и последующих естествоиспытателей,  а в наше уже время орнитологов и энтомологов, а также, конечно, аэрогидродинамиков, были направлены на изучение различных крыльев птиц и насекомых с целью позаимствовать от них  знания для создания искусственного крыла.  Это привело к тому, что, возможно, уже Леонардо  да  Винчи  осуществлял планирование. Однако, научно-обоснованное понимание сущности подъёмной силы появилось только с  работ Даниила Бернулли, установившего  связь между статическим давлением и скоростным напором.  А именно, что чем больше в этом месте скоростной  напор, тем меньше в этом месте статическое давление, и, наоборот, там, где скорость частиц уменьшается, статическое давление увеличивается.

     Закон Бернулли следует учитывать:  - при движении воздуха в земной атмосфере;  - движении воды в океанах и морях, озерах и реках;  - движении крови в кровеносных  сосудах;  - движении питательных соков в капиллярах растений; - движении  воздуха, воды, нефти и газов в трубопроводах.  И, конечно, в интересующей нас области обтекания жидкостью - имеется в виду воздухом , водой, газом или маслами различных профилей, а также, наоборот, возникновения движения жидкости при воздействии на неё  поверхностей различных крыльевых систем.

        И это ещё не все области, в которых действует закон Бернулли. Этот закон основополагающий и всеобъемлющий, ибо на его основании определяется – где, когда и при каких условиях будут действовать в природе и в технических объектах те или иные силы. Причём, зачастую, это не является очевидным. Пример тому тот факт, что два судна, идущие в одном направлении, на небольшом расстоянии бортами, имеют опасность столкнуться друг с другом. Хотя по размышлениям, без знания зависимостей Бернулли, они должны, наоборот, расходиться курсами. И тому можно привести и другие примеры. 

     Знать и правильно применять этот закон должны не только технические специалисты, но и гуманитарные – медики, физиологи, метеорологи,  зоологи, ботаники, ихтиологи, энтомологи, бионики  и др.  При определении сил, действующих на технические устройства, являющихся, зачастую, бионическим прототипом аналогичных приспособлений у живой природы, следует анализировать весь спектр сил, воздействующих на живой объект. И не пренебрегать  при анализе малыми величинами сил, действующих на данный технический объект, т.к. их малая величина может являться следствием данных условий эксперимента.

     Применение  этого закона в технике столь многопланово, что до сих пор выявляются области, в которых он своевременно не был учтен, а это значит, что развитие тех или иных технических устройств пошло не по оптимальному направлению и, возможно, существенно снизило их эффективность.

   Увы! Именно так и  произошло с подъёмной силой крыла. Доказательством  этого мы сейчас и займемся.

1. Впервые! Веское доказательство – «Кривая подводная лодка»

   Как был открыт новый эффект в  аэрогидродинамике.

    В середине сентября 1984 года в  1-ый ЦНИИ Военного Кораблестроения ВМФ  (г. Санкт-Петербург) поступило сообщение с ТОФ, что одна из современных одновальных атомных  торпедных подводных лодок (ПЛ) не может держать глубину погружения и все время всплывает, в то время как все остальные, однотипные хорошо держат глубину в режиме стабилизации.  Для удержания же  её на заданной глубине погружения  приходиться перекладывать  кормовые горизонтальные рули (КГР) на 10-11  градусов на погружение.  ПЛ не может выполнять в связи с этим свои задачи.

    Ранее, в 1981 году, аналогичное явление также наблюдалось на однотипной ПЛ.  По тогдашней  оценке ЦНИИ им. А.Н.Крылова такие большие углы могли быть вызваны:

- либо разворотом всей плоскости кормового горизонтального оперения  на 3 градуса для получения силы топящей корму ПЛ;                                                  

- либо изгибом всего корпуса с прогибом в средней части на 1м.       

     Естественно такие большие отклонения от первоначальной формы были маловероятны. Тем более что они должны были увеличиваться с момента постройки  данной ПЛ, т.к.  полтора  года до этого, сразу после спуска балансировочные  углы КГР не превышали 1,5 градусов.

     Эту ПЛ на флоте прозвали «Кривой». Для исследования этого явления тогда, три года тому назад, была создана комиссия. Задача, стоявшая перед этой комиссией  была  вполне определённой: - выяснить причину этого совершенно непонятного и никогда ранее не проявлявшегося явления и устранить её, обеспечив ПЛ возможность удержания заданной глубины погружения при штатных, малых балансировочных углах атака КГР, как это делали предыдущие десять лодок этого проекта. Но как определить эту причину?  Относительно её предположения были самые фантастические.  На двух из них,  после обсуждений, комиссии и пришлось остановиться. В итоге, как ни абсурдно это было, усилия её специалистов, состоявших из начальников отделов организаций, ведущих данный проект, и  имевших самые высокие научные степени,   были направлены тогда на выявление двух моментов. А именно: 1) попадания ПЛ, при её движении, в водную среду с иной, большей плотностью воды, что могло привести к её всплытию и,поэтому, неободимо было произвести замеры плотности забортной воды.       2) возможные отклонения формы корпуса и его выступающих частей от чртёжных эамеров и, поэтому, необходимо было произвестит соответствующие замеры в доке.  Этот второй пункт был абсурден с самого начала, т.к. непонятно было как могли меняться форма корпуса или его выступающих частей в процессе эксплуатации ПЛ.    Однако при установке её в плавучий док, корректно выполнить замеры  внешних обводов ПЛ из-за прогиба самого дока не удалось.

  Также, несмотря на надуманность и первого пункта, среди членов комиссии нашлись его горячие исполнители. Хотя сразу же возникли трудности - как в условиях Камчатки найти необходимое количество тары для забора в неё забортной воды с целью соответствующего анализа её плотности.  Однако поистине гениальность проявили члены. Сбросившись они приобрели в магазине 30 бутылок водки, притащили их на ПЛ, "вылили" её, прополоскали и таким необычным способом тара была готова к предстоящему выходу ПЛ в море  Как и следовало ожидать эти замеры плотности воды ничего не дали - в океане вода везде одинаковая. Причина вспытия ПЛ выяснена не была. А вот отдельных наиболее активных членов той комиссии, говорят, пришлось отправлять в Ленинград самолётом как "груз 200".  А что делать? Ведь работа учёного- подводника "и опасна и трудна"!   В тоже время, по неизвестной причине, после выхода ПЛ из дока балансировочные углы перекладок КГР стали близки к норме. Вопрос отпал. Причинаи осталась неизвестной. Загадка военного кораблестроения осталась нераскрытой.

    Для  работы в новой,  уже межведомственной комиссии по выяснению и  устранению причины этого повторившегося явления ,  в качестве специалиста от    1-го ЦНИИ ВМФ, вместо участвовавшего в первой комисссии начальника моего отдела д.т.н., профессора С.И. Крылова, командировали меня. По прибытии на ПЛ я начал, естествено,  с изучения материалов комиссии 1981 года, надеясь увидеть там подсказку исследуемой причины. Но, увы, кроме того, что изложено выше, я ничего не нашел. Всё начинать надо было  с"0"..

    В результате проведенных комиссией испытаний было установлено, что компенсация присущего данной ПЛ дифферентующего момента возможна, как с помощью перекладки на балансировочный угол КГР – 8-11 градусов, так и перекачкой дифферентовочной  воды  из кормы в нос. Осмотр водолазом подводной части корпуса результатов не дал.  К сожалению меня, имевшего удостоверение тренера аквалангистов, к этому осмотру не допустили, несмотря на мои настойчивые просьбы, объяснив, что  «капитанов 1 ранга они  под воду  не спускают». Комиссией был сделан вывод о наличии у данной ПЛ по неизвестной причине  гидродинамической ассимметрии обтекания корпуса и его выступающих частей, отличающей её от других ПЛ подобного проекта (см. верхние кривые на рис.1). Для определения её причин, учитывая опыт 1981 года,  было, однако, рекомендовано,  поставить ПЛ в сухой док, который имелся, увы, только во Владивостоке. Так бесславно закончила работу камчатская комиссия, если не считать запасов красной икры, сделанных каждым её членом. Москва же негодовала «посылаем ученых, чтобы они разобрались в причине…, а они шлют нам очередную абракадабру».

     В  декабре ПЛ перешла во Владивосток и была поставлена в сухой док.  Кроме меня приехали уже совершенно новые члены комиссии («объикрившихся» больше не пустили). Эти ничего, никаких больших балансировочных не видели и «стрелка»  заместителя председателем комиссии была переведена на меня, чтобы я составил план исследований, да и вообще – решил этот «парадокс».  Довели до того, что впервые в жизни мне пришлось делать электрокардиограмму, поехав для этого в «Техас» (Тихоокеанское). Анализ проведенных осмотров и замеров в доке с жестким основанием и на плаву показал, что отклонения от чертежных размеров корпуса ПЛ и его выступающих частей, независимо от нахождения ПЛ на стапель блоках в доке с жестким основанием или на плаву, находятся в пределах технологических допусков.       Однако, при  проведении мною тщательного осмотра поверхностей кормового горизонтального оперения, я обнаружил, что на верхней поверхности оперения и КГР имеет место обрастание желудевидными, роговидными (с острыми кромками) обрастателями, так называемыми балянусами, высотой 8-10мм, в количестве  10-15 штук на 1 дм2, а поверх их, частично, зелёными (мягкими, слизистоподобными) водорослями, при практически чистой нижней поверхности оперения. Это было запротоколировано.

     В ночь перед решительным совещанием мне пришло озарение, окончательно утвердившее моё представление о причине возникновения этой огромной топящей силы в корме ПЛ. Я, как будто интуитивно, «нутром»  почувствовал, что тут,  возможно, должно быть проявление закона Бернулли, что и записал на обрывке бумаги, чтобы  не забыть утром.   

     При обсуждении на совещании комиссии результатов осмотров и замеров в доке мною было высказано, и зафиксировано в особом мнении к акту, объяснение  о причине возникновения действующей на горизонтальное оперение топящей силы равной, как показали расчёты ЦНИИ им. А.Н. Крылова,  70 тоннам при соответствующей скорости хода (см. рис.1).

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.1    Зависимость величин балансировочных углов перекладок КГР и «топящей» силы в корме ПЛ от скорости её хода, как при  наличии обрастателей на верхней поверхности кормового горизонтального оперения (верхняя кривая), так и при их отсутствии (нижняя кривая).

Где:  Р1- величина в тоннах топящей силы, действующей на кормовую оконечность ПЛ, способствующей её нежелательному всплытию от наличия обастателей на верхней поверхности оперения;

Р2- Величина в тоннах  силы на погружение ПЛ  от перекладки её КГР;

V – скорость хода ПЛ в м/с.

     Мною было доказано, что причиной  являлось изменение  характера обтекания верхней поверхности  кормового горизонтального оперения из-за её обрастания, проявившегося в подтормаживании набегающего потока и, как следствию, согласно зависимостям Даниила Бернулли, к появлению нормальной, направленной в сторону обросшей поверхности топящей силы Р1(см.рис. 2).  Здесь следует заметить, что оперение  представляло собой крыло  с симметричным профилем и при нулевом угле атаки никакой вертикальной силы давать  не могло. Поэтому только изменившийся характер обтекания верхней шероховатой поверхности привел к появлению данной силы.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.2  Кормовое горизонтальное оперение ПЛ и действующая на него суммарная сила от обтекания обрастателей на его верхней поверхности, а также действующая на него сила от перекладки на погружение КГР, необходимая для компенсации первой.

Где:  Р1 – величина нормальной суммарной силы от обтекания кормового горизонтального оперения с симметричным профилем при наличии только на его верхней поверхности обрастателей.

Р2 – величина  силы на погружение ПЛ от перекладки её КГР.

    Это объяснение, как противоречащее известным представления гидромеханики, вызвало шок  и несогласие у членов комиссии и присутствовавших, среди которых были как кандидаты технических наук (научный сотрудник от ЦНИИ им. А.Н. Крылова и начальник отдела теории ПЛ от  КБ ) в области гидродинамики, так и известный гидродинамик, начальник отделения в ЦНИИ им. А.Н. Крылова, профессор, д.т.н. А.А. Русецкий, специально приглашенный мною на это совещание (бывший во Владивостоке по другим делам). А члены комиссии от  руководства ТОФ были возмущены тем, что «представленное капитаном 1 ранга, к.т.н. Воробьёвым Н.Н. объяснение» якобы «совершенно несерьезно», ибо корабли  обрастают зачастую сплошным покровом тёмно-коричневых балянусов высотой до 3-х см, и ничего – плавают и выполняют боевые задачи, а тут…молодые, беленькие,  маленькие балянусы, столь редко и отдельно  стоящие… Короче говоря,  меня никто не поддержал, скорее высмеял.  Главный же  гидродинамик ЦНИИ на мой прямой вопрос после совещания: « Почему он никак не отреагировал?», ответил мне: « Ну, Николай Никитович, мы же с Вами учились по одному учебнику гидромеханики А.Н. Патрашева и прекрасно знаем, что от шероховатости обтекаемой поверхности поток только подтормаживается, так что, то, что утверждаете Вы  - этого  быть не может, потому, что быть не может никогда!» 

    Однако, т.к. никто другой из членов межведомственной комиссии какой-либо иной веской причины больших балансировочных углов перекладок КГР  не назвал  и не представил плана дополнительных исследований этого вопроса в доке, не оставалось ничего иного, как очистить обросшие поверхности ПЛ от обрастателей,  да покрасить оперение и органы управления, но уже в соответствии со схемой покраски.

     Ведь почему произошла вся эта катавасия? Да потому, что нижнюю поверхность оперения покрасили на заводе – строителе,  как и полагалось, необрастающей (черной) краской), а верхнюю поверхность, ошиблись, и покрасили из другого бидона – простой черной  краской. И вот  вам результат…!    Несомненно, тоже было и в 1981г.

    Спасибо малярше! Так брак в работе – привел к открытию нового эффекта!

    На последовавшем за этим контрольном выходе (27.12.84.) балансировочные углы перекладок КГР не превышали 1 – 1,2 градуса на погружение (см. нижнюю кривую на рис.1), т.е. были в норме и соответствовали тем, которые были при спуске ПЛ на воду.

     Результаты эти были зафиксированы в закрытом протоколе. Я приложил к нему  своё особое мнение (на 6 стр.), в котором подробно излагал причину гидродинамической асимметрии данной ПЛ, правда без предположений о вероятном  нарушении схемы окраски горизонтального оперения, т.к. это, строго говоря, свидетельствовало бы о том, что все дополнительные затраты должен был бы компенсировать завод – изготовитель.

    Никто из членов межведомственной комиссии моего особого мнения не поддержал и не подписал.

    Таким образом, устранение высказанной мною причины возникновения больших балансировочных углов перекладок КГР привело к нормальной управляемости ПЛ в режиме стабилизации движения и позволило  управляться в штатном режиме.

    ПЛ получила возможность выполнять поставленные перед нею задачи, которой она была лишена последние полгода. 

  Ну, а я предчувствовал, что - открыл новое явление! Однако, для уверенности, в библиотеке Большого Камня,  посмотрел, что же входит в это понятие. И утвердился в этой мысли.

    Впрочем,  о том, что  это произойдет у меня было даже предзнаменование. Не могу вспоминать о нём без смеха. Когда, я, впервые, в сентябре 1984 года прилетел на Камчатку и в третьем часу ночи добрался до плавбазы, где мне должны были предоставить ночлег, – что, как вы думаете, я увидел в коридоре, напротив рубки дежурного?

    Напротив висел огромный плакат с надписью на верху «ЧТО ДОЛЖЕН ЗНАТЬ МАТРОС ОБ ОТКРЫТИИ !» Куда уж боле, подумал я, ведь я об этом толком не знаю, как и большинство научных сотрудников, Где уж нам уж, а вот матрос теперь об этом будет знать. Будто какое провидение кем-то предначертанное вело меня к этому. Да здравствует  - его Величество Случай.

    Следует заметить, что это не единственное появление непонятных сил  при эксплуатации водных транспортных, приводившее к  аномалиям в их управляемости. Однако это касалось, в основном, надводных судов и кораблей.. И в этих случаях, если аномалия и замечалась, то она не могла привести к таким серьёзным последствиям, как это могло быть с ПЛ, ведь незначительные отклонения по курсу отнюдь не тождественны отклонениям по глубине.  Посему  они не исследовались.

    Только этим можно объяснить такое «запоздалое» открытие этого эффекта. Да, его, этого открытия,  вообще могло и не быть и в  последующие 50 лет, Такое возможно было  сделать только в виду ряда сложившихся обстоятельств.

     И, благодаря тому, что этот брак в работе завода  привёл к невозможности управления ПЛ, именно по глубине, только это и заставило всех так пристально анализировать это явление. Однако и при этом найти правильную причину удалось только  спустя три года, в течение которых это было загадкой  кораблестроения.

1.2.   Подтверждение существования нового эффекта на основании продувок в аэродинамической трубе модели ПЛ.

    Итак, полученные результаты натурных испытаний ПЛ убедительно доказывали существование нового эффекта – возникновение при обтекании потоком шероховатой поверхности еще дополнительной силы, направленной в сторону данной поверхности. Однако, в виду сложности проведения любых натурных исследований, всегда есть опасения в корректности их проведения, а отсюда и в достоверности полученного результата. Поэтому вполне справедливо было замечание специалиста по натурным испытаниям, начальника моего отдела, д.т.н., профессора С.И. Крылова: « Если это подтвердится продувками в аэродинамической трубе, то да, это новое явление в гидродинамике, новый эффект – это открытие! 

    Естественно, по прибытии я сразу же обратился в ЦНИИ им. А.Н. Крылова с просьбой о проведении продувки имеемой у них модели ПЛ,  натурные испытания которой проводились.    Для обеспечения необходимой шероховатости поверхности оперения была использована наждачная бумага с поперечными размерами шаровидных зёрен:                                       

   -  крупная h = 0,5 мм, или в безразмерном виде hотн. = 2.10-3

   - средняя  h  = 0,2 мм,                                            hотн. = 8.10-4    

   -малая    h  = 0,05мм,                                             hотн.  = 2.10-4

Где: hотн. = h/L, L – длина м одели ПЛ, выполненной в масштабе 1:40.

    Шероховатость верхней поверхности оперения ПЛ в безразмерном виде равнялась hотн. =  1.10-4, так что она попадала в варьируемый диапазон у модели. Однако следует заметить, что искусственная шероховатость в виде наждачной бумаги являлась  сплошной  песочной шероховатостью песочного типа и не вполне  соответствовала дискретной шероховатости натуры. Исследование проводилось  при скорости набегающего воздушного потока – 50 м/с, что соответствовало числам Рейнольдса применительно к модели -  Re =  9.106. Для общности получаемых результатов шероховатость наносилась либо на верхнюю, либо потом на нижнюю поверхность оперения. Из анализа результатов продувок  можно сделать следующие выводы:

  1. На шероховатых либо снизу, либо сверху поверхностях оперения возникает, кроме дополнительного сопротивления, поперечная сила, подъёмная или топящая в зависимости от того, какая из поверхностей оперения имеет повышенную шероховатость, и направленная в сторону шероховатой поверхности.
  2. Возникающие поперечные силы зависят от величины шероховатости, так Сy =  0,020 при крупной шероховатости и Сy=0,009  при малой шероховатости.
  3. Силы, возникающие на модели от, например, большой шероховатости либо верхней, либо нижней поверхностей кормового горизонтального оперения (КГО) могут быть скомпенсированы либо изменением ориентации модели на 2 градуса, либо перекладкой КГР на 7 градусов, т.е. близки к тем, которые возникли на натуре.

    Так, продувки в аэродинамической трубе подтвердили наличие нового эффекта в аэрогидродинамике – возникновения поперечной силы при обтекании потоком  шероховатой поверхности, направленной в сторону этой шероховатой поверхности так, как это изображено на рис.3. 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.3 Эффект возникновения  поперечной силы при обтекании потоком шероховатой поверхности.

2. Определение  направлений исследования эффекта.

    Больше всего меня интересовал вопрос: «Почему никем не был замечен и исследован этот эффект?» С этой целью в Публичной библиотеке им. М.Е.Салтыкова Щедрина мною были проанализированы десятки книг и статей с самого начала зарождения воздухоплавания, а затем и аэро - и гидродинамики, до настоящего времени. Убивала тривиальность!

      У многих это было как бы «на духу».  Про одного большого ученого я даже шутил. Будто он сказал «Да, я всегда так думал». На что я ему, якобы, тут же парировал «ну что же  Вы никому об этом не сказали?»  Это, конечно, шутка!

      Да, тщетны были мои попытки! Об их результатах будет сказано ниже.

   Отчаявшись, я обратился к природе. Это обращение не было чуждым для меня, т.к. многие годы я занимался бионическими исследованиями дельфинов и быстроходных рыб, был специалистом в новой, только зарождавшейся области – гидробионике. Моим наставником в ней был д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки и техники Александр Нестерович Шмырев.

     На сей раз, т.к. весь анализируемый материал я пропускал, так сказать, через призму мне уже известного -  результат превзошел все мои ожидания. Подробнее - также  ниже. Эмоционально, вспоминая то время, могу сказать сейчас только одно – бродя, после ознакомления с трудами орнитологов,  энтомологов и ихтиологов,  по залам Зоологического музея, я на все твари земные стал смотреть совершенно другими глазами. Оказывается, что всем тем из них, которым нужна подъёмная сила, все они в большей или меньшей степени используют данный эффект. И не только летающие, но и плавающие в воде. 

    К новому эффекту был проявлен большой научный интерес со стороны специалистов по аэро- и гидродинамике (см. список организаций и их ведущих специалистов, участвовавших в обсуждениях и исследованиях вместе с автором данного эффекта), представленный в конце данного раздела)

   Многочисленные обсуждения эффекта с ведущими аэро и гидродинамиками страны проводились автором со следующими целями:

- подтверждения факта новизны эффекта в различных областях знания, где имеет место взаимодействие текучей среды с твёрдым телом;

-оценки возможных областей его практического применения;

-определения направлений дальнейших исследований;

- своевременной информации об эффекте для учёта его в научно-исследовательской, практической и преподавательской деятельности.     

    Эти задачи в основном были выполнены. В своих выступлениях  и обсуждениях моих докладов об эффекте специалисты отмечали его новизну, возможность его использования как в плане учёта при моделировании процессов взаимодействия жидкости и газа с поверхностью, так и с целью повышения эффективности различных крыльевых систем. О новизне эффекта говорится в ряде решений Учёных Советов, принятых по моим докладам. Никем из специалистов не заявлялось о том, что где-либо они встречали описание исследований данного эффекта. Некоторые из них отмечали его очевидность, однако, замечали, что это никоим образом не умаляет важности установления его в настоящее время. Подробно останавливались на возможности использования эффекта в тех областях, специалистами которых они являлись.

    Приводили примеры необъяснимых  до этого действия сил на технические объекты и ставшие понятными после знакомства с данным эффектом.

    Ввиду того, что данный эффект затрагивал фундаментальные  основы механики жидкости и газа при взаимодействии их с любым твёрдым телом и мог иметь огромные области практического применения, у автора и обсуждавших с ним эффект аэрогидродинамиков естественно встали многочисленные вопросы. К их числу, в первую очередь, следует отнести следующие:

-действительно ли этот эффект является неизвестным и как получилось, что аэрогидродинамики не обратили до сих пор на него внимания?

-какие ученые и в каких работах были наиболее близки к его установлению?

-каковы бионические аспекты существования данного эффекта? Используется ли он в природе?

-какие проявления неосознанного учёта данного эффект наблюдались ранее в технике?

-как экспериментально установленный эффект согласуется с существующими теоретическими представлениями о подъёмной силе?

-какова физическая сущность данного явления и какие экспериментальные исследования целесообразно провести для её выявления?

-как проявляется эффект на крыльях и каково его влияние на качество крыла? Целесообразно ли его использовать для увеличения подъёмной силы крыла, его эффективности? Какие исследования для этого необходимо провести?

-если целесообразно использовать для повышения эффективности крыла, то какова эффективность способа увеличения подъёмной силы крыла с использованием эффекта, его преимущества и недостатки по сравнению с другими способами увеличения подъёмной силы крыла?

-какой комплекс экспериментальных и теоретических исследований необходимо выполнить для создания расчётной методики определения аэрогидродинамических характеристик крыльев с различными профилями при варьировании степени и вида шероховатости их нижних (нагнетающих) поверхностей? Каковы условия выбора наиболее оптимальной шероховатости при этом?

  Характерная особенность всех этих рассуждений об увеличении подъёмной силы крыла заключалась в том, что рассматривалось только увеличеиие её за счёт шероховатости нагнетающей поверхности на  крыльях с заранее установленными  для них максимальными углами атаки, как для крыльев с обеими гладкими поверхностями (близкими к их критическим), т.е. речь шла только о старых устройствах с крыльями.  Впрочем это и понятно, т.к. большинство этих размышлений относилось ко времени, когда еще не были известны результаты продувок в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова.  Непонятно только почему и в дальнейшем упорно игнорировался тот прирост в подъёмной силе, который связан с коренным изменением характера  обтекания крыла с шероховатой нагнетающей поверхностью и вызванным  этим увеличением его критического угла  и возрастанием от этого до двух раз его подъёмной силы.

  Ответы на эти и другие вопросы были положены в основу плана дальнейшего изучения научно-технической литературы в этой области и проведения комплекса исследований.

    В первую очередь решено было выполнить продувки в аэродинамических трубах крыльев с повышенной шероховатостью нижней (нагнетающей) поверхности, что и будет изложено в дальнейшем.

 

 2.1. Перечень организаций и их ведущих специалистов, участвовавших в обсуждении эффекта

 

1.  Отдел открытий ГК СССР по делам изобретений и открытий (рассмотрение мате риалов заявки Воробьёва Н.Н. на открытие №1262 с приоритетом от 19 июня 1985 г.).

2.  В/ч 27177 (впоследствии 1ЦНИИ ВК) - обсуждение в 1985г. с д.т.н., проф. Крыловым С.И., закрытая  статья  Н.Н.Воробьёва в 1985 г. в сборнике трудов в/ч 27177.

3.     В/ч 31270 (ГУК ВМФ) доклад в 1985 г.

4.     В/ч 13132 (Филиал 1 ЦНИИ ВК) доклад в 1986 г.

5.    ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова ( автором проведены исследования и выполнен отчёт по теме А-X-188 в 1987 г. под руководством д.т.н., проф. Короткина А.И, закрытая статья в сборнике трудов ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова №6 за 1986г. в соавторстве с к.т.н. Маковским А.Г. и Христич Н.С.).

6.    Казанский авиационный институт (рассмотрение материалов заявки на открытие и выдача заключения по ним в 1986г.).

7. Куйбышевский авиационный институт (рассмотрение материалов заявки на открытие и выдача заключения по ним в 1987 г.).

8.    ВНИИГПЭ (обсуждение и переписка по заявкам на способ, поданным в 1985, 1987 и 1989 годах, обсуждение на Контрольном Совете с участием эксперта от МАИ к.т.н.  Ю.Х  Карданова и зав. группой ВНИИГПЭ Мишиной Л.Б. А.С. №1437296 от 15.07.89 и А.С. №1631906 от  01.11.90.9.

9.  ЛКИ ( доклад в 1987 г. на заседании научно-технического Совета по проблемам «Гидробионика», «Гидроупругость» и «Нестационарная гидромеханика», проводимом под руководством ректора и с участием д.т.н., проф,  Войткунского Я.И., доклад в этом же году на Ленинградском городском семинаре по теоретической гидромеханике с участием специалистов ЛГУ и ЦНИИИ им. акад. А,Н, Крылова, доклад в 1989г. на кафедре № 40 ПФ, зав. Кафедрой – к.т.н. Никифоров А.И.

10.  ЦНИИТС (сообщение – зав. Лаборатории «Технологии судостроения, судовых систем и устройств» д.т.н. Лысенкову П.М., ведение совместных исследований по использованию эффекта на гребных винтах).

11.   ЦНИИ «Гидроприбор» (доклад в 1987 г.).

12.   ЛИАП (доклад в 1988 г. на Координационном Совете по аэродинамике и динамике авиационных ВУЗов страны и промышленности, ознакомление начальника аэродинамической лаборатории к.т.н., доцента Зегжда Н.С. и к.т.н. Мартиной В.К. с материалами исследований эффекта). 

13.   КБ по проектированию системы «Буран» (сообщение в 1988 г. – начальнику отдела «Теории..» к.т.н. Каденко В.В.).

14.    ВНИИГ им. акад. В.Г. Веденеева (доклад в 1988 г. – ведущим специалистам в области гидротехники и турбин, с участием специалистов Политехнического института).

15.  Филиал ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского (1988 г. доклад на заседании секции «Гидродинамика больших скоростей», проводимом под руководством академика АН УССР Логвиновича Г.В., сообщение автора для д.т.н., проф. Вашкевича К.П.и д.т.н., проф. Гиневского А.С. ).

16.     ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского (1989 г., сообщение автора д.т.н., проф. Павловец).

17.    Горьковский Филиал ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова (проведены с участием автора исследования и выполнен отчёт в 1989 г. по теме «Завет-ун» по договору с ЛКИ «179-87 и работы по теме «Надолба» в 1988 г., в которых представлены результаты продувок в аэродинамической трубе крыльев с различными профилями при варьировании  формы и размеров элементов шероховатости, а также плотности и места их расположения на нижней поверхности исследуемых крыльев.

18.    ВМИУ им. С.О. Макарова (обсуждение в 1989 г. на кафедре «Теории и устройства судов», зав. каф. – д.т.н., проф. Кацман Ф.М.).

19.  ММЗ «Опыт» - КБ Туполева (сообщение в 1989 г. начальнику отделения «Аэродинамика» к.т.н. Кащееву А.Б.).

20.     Секция прикладных проблем АН СССР (доклад в 1989 г.).

21.  ЛГУ (обсуждение бионических аспектов эффекта с к.б.н. Бродским А.Н,, проведение совместных энтомологических исследований в 1989 г. и написание статьи, помещенной в энтомологическом обозрении АН СССР  LXIX, 2, 1990, стр. 241-255).

А.Н. СССР (отчёт ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова выслан в 1989 г. в Проблемный Совет АН СССР по Гидродинамике, с ним ознакомлен возглавляющий этот Совет академик АН СССР Седов Л.И.

22.    Горьковский Политехнический институт (сообщение в 1990 г. – зав.кафедрой «Судостроение» д.т.н., проф. Зуеву).

23.  Ленинградское отделение комиссии по проблемам транспорта АН СССР, руководимое академиком АН СССР Н.С.Соломенко (доклад в 1990 г. на совместном заседании ЛОКПТ АН СССР и секции экспериментальной гидромеханики судна центрального  правления ВНТО им. акад. А.Н. Крылова с участием д.т.н.. Мореншильд В.А.(ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова), д.т.н. Ляховицкого А.Г. (ЛИВТ), к.т.н. Холявчука С.Д. (ЦКБМТ «Рубин»), к.т.н. Круглова А.Д., к.т.н. Гольдина (ЛОКПТ), к.т.н., доцента Першина С.В., Рапопорта Б.Е. и Багно (ЦКБМТ «Алмаз»), а также других гидродинамиков. По докладу принято решение).

24.   На «Крыловских чтениях» в 1990 г., на секции по управляемости судов, руководимой д.т.н., проф. Юдиным Е.Б., с участием к.т.н. Калачевой (СПМБМ «Малахит»).

25.  Государственный Гидрологический институт (доклад в 1990 г. на секции гидродинамики, гидрофизики и приборов, руководимой д.т.н. Снищенко Б.Ф.. По докладу принято решение).

26.    ЦНИ Котлотурбинный институт (доклад в 1991 г. на собрании специалистов по турбинам, с участием д.т.н., проф. Зысиной Л.М.).

27.   Калининградский Технический институт рыбной промышленности (Доклад на всесоюзной конференции по экспериментальной гидромеханике в 1991 году. Доклад отпечатан в трудах ЦПВНТО им. акад. А.Н. Крылова в 1991 г.

28.    С материалами по исследованию эффекта в  1990 году ознакомился академик АН СССР Белоцерковский О.М. и представил статью автора в Доклады АН СССР. Это первая моя открытая статья. Она вышла в свет в мае 1991 года в Докладах АН СССР, том 318, №1,с.62-65.

   

2.2. Ранее встречавшиеся проявления нового эффекта, но не принятые к рассмотрению, как непонятные.

2.2.1.  Негативные проявления эффекта

   Установление факта существования нового эффекта позволило позже по-новому оценить и ряд других эксплуатационных негативных случаев, не находивших до этого своего объяснения. Так во время мореходных испытаний в 1973 году вертолётоносца «Москва» мною было установлено, что для удержания его на прямом курсе требовалась (при слабом ветре и на тихой воде) перекладка руля на 4-5 градусов на левый борт. На мой недоуменный вопрос: «Почему не держите руль в нулевом положении при движении по заданному курсу?» Рулевой мне ответил, что с некоторых пор он только так, с перекладкой на 5 градусов, на левый борт  и может держать прямой  курс. В акте испытаний мною было предложено, чтобы во время очередного докования произведены были замеры геометрических характеристик корпуса, его выступающих частей и рулевого устройства с целью определения их соответствия чертежам, а также проверка правильности  работы  рулевого устройства. Это было сделано год спустя, однако никаких отклонений от чертежей обнаружено не было. Следует  заметить, что ни разу после спуска на воду, ни после этого докования не отмечалась необходимость перекладки на такие большие балансировочные углы для удержания корабля на заданном курсе. Однако в те годы этот случай не нашел своего объяснения.

    В настоящее время это можно объяснить обрастанием левого борта в большей степени, чем правого, например, из-за условий длительной стоянки (а таковая, как выяснилось позже, действительно была), когда более освещенный солнечным светом левый борт обрастал значительно интенсивнее. Это привело к гидродинамической асимметрии обтекания корпуса корабля, представляющего собой крыло очень малого удлинения. Поэтому для компенсации силы, возникающей от указанной асимметрии, требовалась перекладка руля на 4-5 градусов на левый борт.

    Аналогично, одна из рыболовных баз в результате того, что швартовалась при длительной эксплуатации только одним бортом, вынуждена была для удержания на прямом курсе перекладывать руль на другой борт, примерно на 10 градусов.

    По-видимому, швартуясь этим бортом, она в значительной мере содрала с него обрастание, создав тем самым различие в шероховатости поверхностей обеих бортов. Кстати, проведенные в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова  ( после того, как стал известен данный эффект), продувки одного из корпусов судов, на один борт которого была наклеена наждачная бумага, подтвердили, что в этом случае для компенсации действующих сил действительно требуется перекладка руля до 10 градусов.

    Наконец, курьезный случай произошел с одним из судов на подводных крыльях  после длительной его  стоянки в акватории. Он не смог выйти на крыльевой режим при исправной крыльевой системе, хотя и развил требуемую для этого скорость, и даже большую.

    Не объяснило тогда причину этого явления и установленное при осмотре крыльев наличие на верхних их поверхностях вязкого осадка целлюлозы, выпавшего из стоков расположенного недалеко от места стоянки целлюлозно-бумажного комбината.

    Только теперь, присутствовавшему во время моего доклада  профессору  ЦНИИ им.акад. А.Н. Крылова, проводившего в своё время эти испытания, стало ясно, что при обтекании крыльев с вязким осадком целлюлозы на верхних поверхностях, т.е. при наличии подобия повышенной шероховатости верхних поверхностей крыльев у  всей крыльевой системы судна, возникла направленная вниз нормальная сила. Она превышала подъёмную силу, создаваемую всей крыльевой системой судна на подводных крыльях, а последняя, как известно, обеспечивает подъём судна из воды,т.е. равна  весу всего судна. Кстати это является самым ярким натурным подтверждением того , что используя повышенную шероховатость одной из поверхностей крыла можно получить очень большую по величине дополнительную поперечную силу соизмеримую с той, которая вообще может быть получена  при использовании данного крыла.

    Негативным проявлением эффекта можно считать и факты, на которые обращают внимание  рулевые. Так, если после спуска на воду построенной ПЛ, или после очередного её докования, во время которого производились работы по очистке и покраске корпуса, для обеспечения режима стабилизации ПЛ как по курсу, так и по глубине погружения обычно были необходимы достаточно малые значения балансировочных углов перекладок рулей, то спустя год- два (после возможно неравномерного обрастания корпуса и его выступающих частей) эти балансировочные углы перекладок существенно возрастали.

     Можно привести и другие негативные проявления указанного эффекта и не только в области судостроения.

   Например, влиянием его можно объяснить уменьшение подъёмной силы крыльев самолётов при их обледенении, которое происходит сначала, главным образом, на верхней поверхности, у передней кромки, увеличивая тем самым шероховатость именно верхней поверхности. Это в свою очередь приводит к появлению нормальной силы, направленной противоположно подъёмной силе крыльев. Кстати, уменьшение подъёмной силы при обтекании его двухфазным потоком также можно объяснить проявлением данного эффекта. Возможно, именно это являлось причиной авиакатастроф, когда идущий на посадку авиалайнер неожиданно попадал в полосу ливневого дождевого потока, обрушивающегося, главным образом, на верхнюю поверхность крыльев, существенно повышая её шероховатость, да и вообще искажая аэродинамические профили крыльев со стороны верхней поверхности. Это резко уменьшало подъёмную силу крыльев, что приводило к провалу по высоте лайнера, а при малой её величине – и к аварийной посадке.

    Особенно важно учитывать эффект при решении проблем идентификации аэрогидродинамических характеристик, в частности, иметь в виду возможность их существенного изменения в процессе эксплуатации из-за возникновения повышенной шероховатости на отдельных поверхностях транспортных средств.

    Учитывать возможные проявления данного эффекта следует не только для транспортных средств, но также и в других областях знания, там, где имеет место взаимодействие текучей среды с твёрдым телом, поверхность которого так или иначе характеризуется таким её свойством как шероховатость,  но об этом позже.

  2.2.2. Положительное проявление эффекта – предвестник наиболее    перспективных способов применения данного эффекта.

   С самого начала открытия данного эффекта интерес к нему стал проявляться как к открывшейся возможности существенного увеличения подъёмной силы крыла, т.е. к наиболее эффективному решению той задачи,  ради которой в устройствах и используются крылья.

    Тем велико было удивление, что в практике кораблестроения нашелся также случай положительного его проявление. Однако, также вызвавший недоумение и даже заставший врасплох специалистов высокого класса.. Здесь речь  пойдет о том, что, как будто специально, вначале была обеспечена повышенная шероховатость нагнетающей поверхности крыла, а потом экспериментально было установлено существенное увеличение его эффективности, хотя теоретики по крыльям ожидали обратного.   

     Так при выполнении одной из тематических работ в центральном  технологическом институте кораблестроения исследовался вопрос о  возможности отказа от полировки поверхностей  гребных винтов  - операции очень трудоёмкой, а самое главное весьма вредной для её исполнителей – они глохли. Для натурных испытаний было выбрано научно-исследовательское судно ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова «Изумруд»

    Замерялись крутящий момент на валу и частота вращения гребного вала на этом судне при прохождении им мерной линии с 3 вариантами гребных винтов диаметром 3,3м:       

1) со штатным гребным винтом;    

2) с опытным гребным винтом, который не подвергался шлифовке после изготовления его на многокоординатном фрезерном станке с ЧПУ. Шлифовка обеспечивалась лишь в районе кромок на ширине, примерно, равной 10% от ширины лопасти). В результате такой технологии изготовления на нём остались т.н. гребешки, расположенные по цилиндрическим сечениям лопастей, при этом: - на нагнетающей поверхности  при    R > 900мм шаг между гребежками с высотой  0,40 – 0,45мм был 85мм, а при R<900мм шаг был 25мм, шероховатость поверхности между ними была  Rz = 11,0 – 11,2 мкм;                                                       

- на всей засасывающей поверхности шаг аналогичных по высоте гребешков был 85мм и шероховатость между ними была  Rz = 8,2 – 9мкм.                                                 

 3) со "стандартным" гребным винтом, лопасти которого были тщательно зашлифован  ы в соответствии  с  ГОСТ-8054-81.

    В результате испытаний было установлено, что потребляемая мощность неотшлифованного гребного винта с макрорельефом на  2 – 3 % меньше, чем у стандартного и на    10 – 12 % меньше, чем у штатного.

    На основании анализа результатов прохождения мерной линии, специалистами их проводившими, было сделано заключение, что макрорельеф в виде гребешков от фрезерования, расположенных по цилиндрическим сечениям лопастей, не снижает, а в некоторых случаях и повышает эффективность гребного винта.

      Объяснить это явление с использованием известных положений гидромеханики -  специалисты по гребным винтам ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова  судя по [ 43  ] в своём отчёте не смогли, однако заметили, что «обнаруженный положительный эффект от влияния макрорельефа требует  дополнительных экспериментальных и теоретических исследований с целью оптимизации размеров и ориентации гребешков на поверхности лопастей. «На всякий случай, как говориться для («до») ясности» они «затормозили» защиту докторской диссертации ( автору статьи [43]) сотруднику технологического института, который был автором идеи отказа от полировки гребных винтов).

     Однако, объяснение уменьшения затрачиваемой мощности для достижения заданной скорости хода и соответствующей экономии топлива может быть дано при знании выше описываемого эффекта. В данном случае эффект проявился по следующим причинам:

  1.  Изготовленный опытный винт (по- видимому, по случайным причинам) имел большую шероховатость нагнетающей поверхности, нежели засасывающей. Действительно, на нагнетающей поверхности гребешки на радиусе до 900мм были расположены с шагом 25мм, и только на больших радиусах – с шагом 85мм; в то время, как на засасывающей поверхности был постоянный шаг – 85мм. Кроме того шероховатость между гребешками на нагнетающей поверхности была  Rz = 11, а на засасывающей  Rz = 8,2 – 9,0.   Таким образом, на нагнетающей поверхности, из-за  более частого (в среднем) расположения гребешков, шероховатость была на 20 – 30 % больше, чем на засасывающей.                               
  1.  Шероховатость от гребешков на нагнетающих поверхностях гребного винта , расположенных по цилиндрическим сечениям, в большей мере оказывала влияние на характер течения, обтекающего каждую лопасть, чем таковая  на засасывающих поверхностях. Это происходило ввиду того, что на нагнетающей поверхности каждой из лопастей линии тока, особенно вблизи корневых сечений, отклоняются от круговых линий цилиндрических сечений приблизительно на 400, в то время как на большей части засасывающей поверхности этот угол равен только 10- 15 градусов. Об этом свидетельствуют результаты визуализации потока, произведенные вопытах Майна [44]. Таким образом, турбулизирующее воздействие гребешков на поток, протекающий над нагнетающей поверхностью, было больше, чем на поток над засасывающей поверхностью.  

  2. Благопрятным, с точки зрения проявления эффекта,   являлось  также то, что входящие кромки лопастей на  расстоянии 10% от ширины лопасти были зашлифованы  на обеих поверхностях, т.е. там, где наличие шероховатости для проявления эффекта было бы нежелательным.

      Благоприятным было также то, что повышенная шероховатость на нагнетающей поверхности в виде более  часто расположенных гребешков располагалась в начале профиля лопасти, обтекаемой потоком по указанным выше линиям тока, что способствовало большей его турбулизации  уже на начальном пути обтекания.

      Исходя из результатов этих «подаренных его Величеством Случаем»  исследований для более полного использования эффекта применительно к уже созданным крыльевым устройствам, т.е., у которых критические углы атаки определялись как для крыльев с обеими гладкими поверхностями,  могут быть даны следующие предварительные рекомендации:

- засасывающие поверхности гребных винтов по-прежнему шлифовать

- нагнетающую поверхность, за исключением входящих кромок не шлифовать, оставляя её необработанной после фрезерования на многокоординатных фрезерных станках с ЧПУ, однако, изменив ориентацию макрорельефа, в  частности, например, развернув на 500 – 600, и направив его перпендикулярно линиям тока, что позволяет сделать ЧПУ.

     В целом, исходя даже из данного примера, вопрос возможности и целесообразности использования данного эффекта для « старых» (с заранее заложенными в их конструкцию наибольшими критическими углами атаки) требует дальнейших исследований и натурных испытаний. На их основании могут быть даны окончательные рекомендации по высоте, ширине, ориентации и расположению макрорельефа на нагнетающей поверхности гребных винтов или иных устройств  типа насосов , турбин и т. п.

 3.  Бионические  оценки эффекта.      

3.1.  У  истоков воздухоплавания.

    Многие технические идеи были позаимствованы    человечеством у природы, в том числе и основы воздухоплавания. Главный вопрос, который интересовал первых исследователей воздухоплавания – это условия и причины образования подъёмной силы на крыле и, в частности, у представителей живой природы.

    С этой целью были проведены многочисленные исследования различных птиц. Так весьма поучительные эксперименты по изучению полёта птиц проводил в 1885 – 1890 годах доктор Аренд  из г. Симферополя. Он замораживал живых птиц при  различных положениях их  крыльев и хвоста, затем поднимал их на змее и сбрасывал с высоты 50м. Наблюдал их планирующие и даже парящие полёты. В 1908 году летчик А.В.Шиуков производил заклеивание крыльев живых птиц, лакировал их поверхности. При этом птица в той или иной степени теряла способность к полётам, вынуждена была выполнять их тяжело и непрерывно хлопая крыльями, а способности к парящему полёту и вовсе лишалась. С учётом знания вышеизложенного эффекта здесь сказывалась, по-видимому, два фактора:

- устранение повышенной шероховатости нижней поверхности в средней части крыльев (о роли которой будет изложено ниже);

-устранение, таким образом, щелей и разрезного устройства крыла (своего рода устройства по механизации крыла);

        В дальнейших работах русские учёные продолжают изучение полёта птиц. Этому вопросу посвящена изданная в 1937 году работа инженера М.К. Тихонравова «Полёт птиц и машины с машущими крыльями». Несколько позже вопросу построения научной теории машущего полёта были посвящены труды члена корреспондента АН СССР В.В. Голубева, в которых он впервые изложил стройную вихревую теорию возникновения тяги машущего крыла и указал на большое значение вязкости воздуха.  Необходимость получения наибольшей подъёмной силы на крыльях важна для  птиц в том числе и для режима парения. Поэтому для упрощения решения задачи поиск механизмов, обеспечивающих повышение подъёмной силы, следует искать у птиц, для которых режим парения является одним из основных режимов полёта. Впервые к рассмотрению этого вопроса подошёл в своём труде «Полёты в природе» доктор биологических наук Н.А. Гладков. Именно он углубил связь между орнитологией и аэродинамикой в целях объяснения вопросов, связанных с парением птиц, кинематикой движения их крыльев и приспособлениями для затягивания срывов потока.

    Современное представление о способах повышения подъёмной силы на крыльях птиц можно получить из анализа работ, выполненных в 50-70 годах прошлого столетия научными сотрудниками Института морфологии животных им. А.Н. Северцева, а именно Г.С. Шестаковой, Т.Л. Бородулиной, К.Н. Благосклоновым,  Н.В. Кокшайским и В.Э. Якоби [1 -9].

    Начало было положено в 1953 году работой профессора, доктора биологических наук Г.С. Шестаковой «Структура поверхности крыла и её значение для аэродинамики птиц» [1].

    Результаты этих бионических исследований столь интересны, что заслуживают достаточно подробного их изложения. Однако, чтобы разобраться специалистам гидродинамики в их существе необходимо хотя бы поверхностное ознакомление с основными понятиями и терминологией, используемыми орнитологами.

    Прежде всего,  необходимо иметь представление о конструкции крыла птицы (см. рис.4).


 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

Рис.4.    Схема поперечного разреза через стержень пера и бородки.

     С этой целью на рис. 5 представлена схема расположения крыльев птиц (чайки) и приведены их названия.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис. 5.   Расположение верхних кроющих перьев крыла.

Где:  а – маховые;  б – большие кроющие;  в – средние кроющие;  г – малые кроющие  и краевые кроющие.

      Следует заметить, что, например, у хорошо летающих птиц с небольшой весовой нагрузкой и относительно невысокой скоростью полёта (большая чайка – 50 км/час, крачка – 3км/час), и использующих также часто режим парения, различные участки крыла выполняют разные функции в полёте. Как показали киносъёмки (рис. 6) в областях крыльев, прилегающих к телу птицы, сравнительно малоподвижных (и не только при парении, но и во время машущего полёта), а именно, с помощью второстепенных маховых крыльев, создается, главным образом, подъёмная сила, а с помощью, отстоящих далее по размаху крыла, а именно, первостепенных маховых – тяга и подъёмная сила. Будем учитывать это обстоятельство в дальнейшем при анализе микроструктуры поверхностей крыльев.

    Впервые на различие микроструктуры верхней и нижней поверхностей крыльев птиц – парителей, влияющих на шероховатость, обратила внимание Г.С. Шестакова в 1953 году в упомянутой выше работе [1].

    Прежде всего, следует иметь в виду, что каждое перо имеет следующее строение – от обеих сторон роговидного ствола пера отходят длинные, тонкие роговидные пластинки, т.н. бородки, на которых расположены мелкие роговые пластиночки-бородочки (см. рис. 4).

    Так вот оказывается, что обеспечивающие шероховатость (ребристость) пера бородки выступают над поверхностью пера по-разному. А именно, в значительно большей мере на нижней  поверхности пера, образуя в целом значительную ребристость. При этом у некоторых птиц над этими сильно выступающими над нижней поверхностью ребрами поднимаются концы бородочек, так называемые «пенулы», образуя пушистые ряды ресничек.

    В результате такого строения бородочек нижняя поверхность крыла может быть различной: бархатисто-шероховатой, бороздчатой или гофрированной. Кроме того, на верхней и нижней поверхностях крыла бородки имеют разное направление.

    Из рассмотрения рис.5. видно, что нижняя поверхность второстепенных маховых крыльев, в прилегающей к телу птицы области (и ответственной, как указывалось выше, за обеспечение необходимой подъёмной силы), имеет расположенные поперек набегающего потока бородки, существенно тем самым повышающие шероховатость этого района нижней поверхности крыльев.

   В то время как верхняя поверхность этой же области крыльев имеет бородки, направленные вдоль линий тока набегающего потока, т.е. не повышающие её шероховатость(см. рис.6).

 


 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.6.  Направленность линий бородков  на верхней и нижней  поврхностях крыльев   птиц – парителей

    Однако для природы оказалось мало и этого «разумного» строения микроструктуры крыла и она ещё обеспечивает необходимое для повышения подъёмной силы подтормаживание потока под крылом следующими особенностями микроструктуры нижней поверхности второстепенных маховых крыльев, о которых лучше всего сказать дословно приводимыми ниже словами орнитолога.

    Здесь речь пойдет о наличии на нижней поверхности образованных между перьями полостей – туннелей.

    Так вот, д.б.н., проф. Г.С. Шестакова в своей работе [1] пишет: «Эти полости ограничены сверху выпуклыми поверхностями наружных опахал, снизу – вогнутыми поверхностями внутренних опахал, сзади – приподнятыми сверху краями внутренних опахал. Дно туннеля образовано, таким образом, верхней поверхностью внутреннего опахала, и….сильно опушено. Крыша туннеля ребристая. Начала туннелей прикрыты у одних птиц также  S – образно изогнутыми, у других – вогнутыми снизу большими кроющими перьями крыла и окружены пуховидными бородочками маховых, обеспечивающими в этой области воздушную прослойку. Концы туннелей образованы очень слабо изогнутыми вершинами перьев, вследствие чего  к концу крыла туннели значительно ссужены.

     При планирующем полёте под действием силы тяжести птицы происходит давление воздуха на нижнюю поверхность крыла. Вследствие этого давление, испытываемое нижними поверхностями туннелей, передается заключающемуся в них воздуху. Сила трения передних и задних препятствует его выходу на поверхность крыла. Спереди помехой выходу воздуха является рыхлая, заполненная воздухом, прослойка пуховидных образований, прикрытая кроющими крыльями, сзади – смыкающиеся эластичные концы каналов.

    В результате этого получаются замкнутые в туннели воздушные подушки, обладающие некоторым пружинным эффектом. О наличии этих подушек свидетельствует то, что при скользящем полёте птицы хорошо видны в бинокль выпуклости маховых, создающие гофрированность нижней поверхности…».

    Стоит только удивляться – до чего разумно с аэродинамической точки зрения (как подтверждение данного эффекта) устроено крыло птицы.

  Действительно, даже при простом рассмотрении крыла, например, сизой чайки, видно, что его нижняя часть, прилегающая к носику профиля крыла имеет своего рода турбулизатор  - сплошную перьевую  полосу краевых кроющих крыльев длиной, примерно, 150 мм от тела птицы вдоль размаха крыла, имеющего длину около 300 мм. Аналогичную роль играет плохообтекаемый выступ на нижней поверхности крыла вблизи носика профиля черноголовой чайки. Вообще следует заметить, что мелкие краевые кроющие на нижней поверхности крыла играют роль своего рода турбулизаторов.  Иначе, чем можно объяснить их наличие именно на нижней поверхности крыла в районе, примыкающем к телу птицы, как это, например, имеет место у характерного парителя – бородача, где они располагаются  на протяжении около 700 мм, при общем размахе крыла около 2 м.

    Характерно также, что в результате проведенных в аэродинамической трубе продувок крыла чайки при  Re = 120000  [10], было установлено, что на верхней поверхности ламинарный поток имеет место в средней части до 75% длины хорды крыла, а на нижней поверхности только на 25% длины хорды. При этом следует иметь в виду, что толщина пограничного слоя на крыле чайки равна, примерно, 1мм.

3.3.   Роль чешуйчатого покрова крыльев бабочек в их планирующем полёте.

    Отмеченное выше, на примере птиц-парителей, использование в природе исследуемого эффекта заставило более широко посмотреть и на других представителей живой природы, для существования которых необходимо создание подъёмной силы, в частности на насекомых. Хотя здесь следует, конечно, иметь в виду, что числа  Re  у них значительно меньше. Так, если для полёта птиц  Re =(0,2-5).104     то для насекомых значительно меньше, а именно  у мушки дрозофилы Re = 100-200.

     Кстати, для последней характерно наличие крупных щетинок на переднем крае её крыла [6], да и вся нижняя поверхность крыла покрыта волосовидными  образованиями (микротрихиями). При этом, как утверждает Н.В. Кокшайский [6], если ввиду малых чисел  Рейнольдса и сравнительно большой толщины ламинарного пограничного слоя, находящиеся на крыле «волоски», по-видимому, полностью находятся в пограничном слое, то сильно развитые элементы шероховатости, находящиеся на переднем краю (заостренные иголки) выступают за пределы пограничного слоя и им можно приписать роль турбулизаторов, своего рода «генераторов вихрей».  Отмечалось повышение подъёмной силы у некоторых жуков, например, у майского жука за счёт высокочастотных колебаний крыльев, расположенных под подкрылками, причем эти колебания, по-видимому, согласуются с изменением кинематики движения надкрылков [10].

    Целый ряд исследований энтомологов был посвящен исследованию влияния чешуйчатого покрова крыльев бабочек на их подъёмную силу. Однако, они так и не давали ответа на простой общеизвестный вопрос – почему бабочка практически теряет способность к длительному полёту после того как её, севшую со сложенными наверх крыльями, взяли руками и таким образом нарушили (сняли) её чешуйчатый покров с нижней поверхности крыльев?

    Так еще в работах немецкого энтомолога Нахтигаля отмечалось влияние чешуйчатого покрова крыльев бабочек при их планирующем полёте на величину подъёмной силы крыльев. В опытах с удалением чешуек с верхней поверхности крыльев Нахтигаль измерял силы, действующие на бабочку, планирующую с различными углами атаки. Им был сделан вывод, что различие в форме поляр для крыльев бабочки до и после удаления чешуек показывает, что чешуйки способствуют увеличению подъёмной силы на 10-15%. Однако объяснений этому как в этой работе, так и в более поздней [10] не было дано. Без ответа оставался и поставленный выше вопрос.

    Всё это заставило автора  совместно с энтомологом к.б.н. А.К. Бродским выполнить исследование по определению роли чешуйчатого покрова крыльев бабочек при их планирующем полёте и выяснить – проявляется ли при этом исследуемый в данной работе эффект?  При этом были  выбраны виды бабочек, для которых наиболее характерен планирующий полёт, занимающий у них обычно около половины времени полёта. На рис 7 представлены сечения крыльев ряда видов подобных бабочек. Из рассмотрения их видно различие в шероховатости их верхних и нижних поверхностей.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.7.  Сечение крыльев правой стороны (в планирующем положении) плоскостью, параллельной продольной оси тела, на уровне  середины медиальной ячейки, у разных чешуекрылых (масштаб не собдлюден).

Где:  1. – махаон (Papilio machaon L.);  2.- аполлон (Parnassius apolio L ); 3- тополевый ленточник(Limenetis papule L.); 4. – траурница (Nymphalis antiopa L.).                                

    Оценим более подробно аэродинамическую роль элементов шероховатости крыльев бабочки «Аполлон».

   Следует заметить, что наибольшее различие в шероховатости верхней и нижней поверхностей её крыльев касается, главным образом, участков, расположенных на середине крыла (проксимальных) и ответственных преимущественно за создание подъёмной силы. Рассмотрим характер распределения, форму и возможную аэродинамическую роль элементов шероховатости переднего крыла «Аполлона» вдоль хорды, проходящей параллельно продольной оси тела в средней части переднего крыла.

Отметим, что рассматриваемая хорда приблизительно совпадает с направлением линий тока при планирующем полёте бабочки.

    Передний край загнут под углом 20-30 градусов. Величина загиба возрастает по направлению к телу, достигая у корня крыла 4 мм. На всем протяжении хорды верхняя поверхность покрыта чешуйками, форма которых различна на разных участках поверхности. Характерно, что чешуйки наклонены к поверхности под углом 20-30 градусов и, что особенно характерно для чешуек верхней поверхности, они, стоя достаточно плотно друг к другу, перекрывая друг друга в среднем на 10-20% своей площади, в целом образуя сплошное, как бы черепицеподобное покрытие.

Здесь практически не выступающие над мембраной жилки несут волоски длиной 0,3-0,4 мм, наклоненные к поверхности под углом 20-30 градусов.

     На рис.8 схематично показано расположение выступающих над мембраной структур покрова нижней поверхности крыла «Аполлона» и нанесена граница пограничного слоя, рассчитанная для плоской пластины, а также с учётом загиба передней кромки предполагаемая граница реального пограничного слоя.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис. 8.  Элементы шероховатости нижней поверхности переднего крыла аполлона вдоль хорды, проходящей параллельно продольной оси тела на уровне вершинной трети медиальной ячейки.

Где: 1. – мембрана;  2. – жилки; 3. – волоски; 4. – чешуйки; 5. – граница пограничного слоя для плоской пластины;         6. – предполагаемая граница реального пограничного слоя.

        В отличие от верхней поверхности жилки лишены чешуек и волосков и значительно сильнее выступают над поверхностью мембраны в виде валиков на высоту 0,3 – 0,5 мм. Располагаются они, главным образом, в районе первой трети хорды, поперек неё, то есть поперек предполагаемого направления линий тока. Характерно, что вдоль переднего края крыла расположены одиночно стоящие достаточно вытянутые вверх чешуйки с зубчатыми вершинками. На остальной части нижней поверхности редкие чешуйки имеются лишь в районе примерно соответствующем первой трети длины хорды и в задней части крыла (см. рис.7).

При этом чешуйки расположены редко, на расстоянии друг от друга  0,5 – 1,0 длины чешуйки, они сильно вытянутой формы, наклонены к поверхности всего на 10-20 градусов.

      Попытаемся произвести аэродинамическую оценку вышеописанным элементам крыльев. Действительно, отмеченный выше наклон вниз передней кромки, способствуя повышению скорости обтекания верхней поверхности, обеспечивает увеличение подъёмной силы. Отсутствие на верхней поверхности крыла выступающих жилок (скелетной основы мембраны), сплошной покров чешуек, определенная ориентация чешуек и волосков на разных участках относительно набегающего потока – всё это способствует созданию гладкой, хорошо обтекаемой поверхности, по-видимому, оказывающей ламинаризирующее влияние на пограничных слой.       Это  воздействие структур покрова на поток можно видеть в том, что:

  1. обтекание каждой чешуйки происходит с малыми местными числами Рейнольдса;
  2. каждая упруго закрепленная на мембране чешуйка, являясь широкополосным демпфером, способствует затягиванию ламинарного характера обтекания поверхности.

     Иная картина предстает при рассмотрении нижней поверхности крыла. Для неё характерно наличие значительно выступание верхних частей каждой из чешуек над мембраной жилок, обилие отдельно стоящих волосков, разреженность чешуйчатого покрова и зубчатое строение верхних кромок каждой из чешуек– всё это должно способствовать турбулизации пограничного слоя. Таким образом, за счёт выступающих жилок, отдельно стоящих чешуек ( да еще с зубчатыми верхними кромками) и волосков обеспечивается распределённая шероховатость нижней поверхности крыла, способствующая образованию вихрей, а в целом турбулизации потока.     Причём все элементы шероховатости, по-видимому, находятся в пределах пограничного слоя, т.е. не выступают за его границу.   Определение относительной шероховатости различных элементов шероховатости (чешуек, волосков, жилок) на нижней поверхности крыла «Аполлона» дало величину порядка  Шотн. = 0,03.   Подтормаживание обтекающего потока обеспечивается у бабочки с помощью турбулизаторов в виде отдельно стоящих волосков и  чешуек, образующих распределённую шероховатость на расстоянии 0,1 – 0,4 длины хорды от передней кромки, то есть там, где вышеисследованный эффект при продувках крыльев был наибольшим. В целом следует заметить, что шероховатость нижней поверхности исследованных участков крыльев «Аполлона» выше, чем шероховатость аналогичных участков верхней поверхности.

    Выполненные исследования роли чешуйчатого покрова крыльев бабочки вида «Аполлон» позволяют утверждать:

-исследуемый эффект используется ими для увеличения подъёмной силы крыльев;

-полученные данные позволяют объяснить и уменьшение подъёмной силы бабочек до такой степени, что не позволяет им длительно  летать при удалении чешуйчатого покрова с нижней поверхности их крыльев (при взятии их руками), что приводит к сравнительному сглаживанию нижней поверхности их крыльев.

 

3.4.  Выводы

  1. Как показали орнитологические, энтомологические и аэродинамические исследования отдельных аэробионтов эффект влияния повышенной шероховатости нижних поверхностей крыльев на их подъёмную силу широко используется в природе.
  2. Аэродинамика позаимствовала у природы:

                             -   округлые очертания крыльев в плане;

                             -   роль размаха крыльев;

  • закругленную переднюю кромку крыльев птиц, предотвращавшую капотирование, при разработке профилей НЕЖ, NАСА, ЦАГИ и т.п.);
  • щелевое строение крыльев птиц – для устройств механизации крыла, используемое ими при посадке.

    Теперь, на основании этих бионических исследований, повышенную шероховатость нижних поверхностей крыльев также следует рассматривать как средство увеличения подъёмной силы крыла.

Гидробионические исследования также подтверждают это. Они  очень интересны и будут добавлены в блог.

    Осталось ответить  только на один вопрос – почему только сейчас возникла необходимость учёта шероховатости – последней особенности крыльев  в природе, не нашедшей своего бионического применения в технике? Почему только сейчас появился этот «эффект – феномен»? Конечно потому, что шероховатость нижней (нагнетающей) поверхности крыла действительно увеличивает его подъёмную силу.. Об этом свидетельствует всё вышеизложенное.   Увы! заимствование для техники  особенностей природных  крыльев шло «дозировано» - оно растянулись на века.  Казалось было, что сто лет тому назад учли всё.  Однако, увы не всё! Шероховатость не учли. Тут, пожалуй подпортило то, что  появились мощные моторы и «самым главным», стало, чтобы  крылья  имели бы как можно меньшее сопротивление. Общее мнение было таково, что они должны быть « абсолютно гладкими», а то, что они при этом «недодавали» по подъёмной силе – это, увы! Осталось без внимания. Да и желание все представить в виде «красивых» математических формул, на что сподвигнул  Н.Е. Жуковского С.А. Чаплыгин, сыграло свою роль, т.к. все последующие поколения гидромехаников начисто забыли о вязкостной природе подъёмной силы. А это очень важно было не только для крыльев  самолётов, но и для всех  устройств, где крылья употребляются. Да и  Даниил Бернулли давно уже установил связь между скоростным напором и статическим давлением. Вот бы проникновенно отнестись к его законам! И повысили бы эффективность крыльев еще 100 лет тому назад.  А акад. Н.Е. Жуковский реализовал бы свою мечту -  учитывать вязкостную природу подъёмной силы крыльев при их создании. Учитывая, что крылья употребляются в каждом третьем или даже втором устройстве, то и экономика мира достигла бы больших успехов. Но, увы это не случилось.

 

4.      Теория подъёмной силы  крыла и место в ней данного  эффекта.

     4.1  Краткий экскурс в историю

     В связи с развитием авиации в начале ХХ века перед теорией возникла основная задача – выявление механизма образования подъёмной силы крыла.

    Впервые  поставил  вопрос – откуда берется подъёмная сила  крыла?  И попытался дать на него ответ – Н.Е. Жуковский в 1890 в своём докладе «К теории летания». В 1891 году в докладе в математическом обществе «О парении птиц» и одноименной статье, вышедшей в следующем году [13], он уже рассматривал законы сопротивления воздуха, необходимые для исследования парения, т.н. «закон синуса» и закон о центре парусности, а также динамику полёта, в частности, разложение действующих на птицу сил при различных внешних условиях: спокойном воздухе, при возрастании скорости ветра с высотой и при восходящем ветре.

    Только в 1904 г. он пришел к гениальной по простоте идее о присоединенных вихрях, объясняющих причину возникновения подъёмной силы крыла. Однако идея была столь оригинальна, что он не сразу смог развить её. Лишь через год он прочёл свой доклад «О присоединенных вихрях», опубликовав эту работу в 1906 году [14]. В ней им доказана была теорема, определяющая величину и направление главного вектора аэродинамических сил, действующих в установившемся плоском потенциальном потоке на обтекаемое им твёрдое тело. Однако теорема не давала возможности найти величину подъёмной силы для конкретно заданного в потоке жидкости или газа крыла, т.к. рассчитать величину циркуляции скорости, которая входила в выражение теоремы, не представлялось возможным.

     Действительно, теорема Н.Е. Жуковского имела следующую формулировку: « Если поток, имеющий в бесконечности скорость Vo, обтекает контур, и циркуляция скорости по этому контуру равна  I, то равнодействующую сил давления жидкости на контур получим, если умножим вектор, представляющий скорость потока в бесконечности, на циркуляцию скорости и на плотность жидкости и повернём полученный вектор на прямой угол в сторону обратную циркуляции» [14, 15].

    Следует заметить, что эта теорема была выведена им в предположении полного отсутствия трения в жидкости, т.е. в предположении, что жидкость идеальна.

    В тоже время присутствие вокруг обтекаемого тела циркуляции указывало на образование в области крыла вихрей, что в случае идеальной жидкости не могло быть. Во всяком случае не могло быть без натяжек согласовано с основными  теоремами теории вихрей.

    Н.Е. Жуковский упорно пытался определить величину циркуляции и путь к определению этой величины первоначально видел в учёте влияния вязкости жидкости, в результате чего образуется прилипание жидкости или газа к обтекаемому телу.

    Однако эти соображения, совершенно правильные с чисто физической стороны не давали никакой возможности рассчитывать в действительности величину циркуляции по данным определяющим крыло.

    Здесь следует  добавить, что влияние формы крыла на величину циркуляции сказывается, вероятно, именно через посредство вязкости жидкости. По-видимому, Н.Е. Жуковский искал решение задачи именно в этом направлении, ведя, так сказать лобовую атаку. Однако, преодолеть эту весьма трудную задачу он не смог, т.к. трудности, возникающие в этом направлении были таковы, что и до настоящего времени вопрос этот остается практически в таком же положении, как и в самом начале.

    И здесь мы подходим к тому ключевому моменту в истории развития теории подъёмной силы крыла, который как бы предупредил саму маловероятность учёта экспериментально установленного в настоящее время нового эффекта в развиваемой в течение последующих десятилетий теории подъёмной силы крыла. Это связано с тем, что элементы шероховатости нагнетающей поверхности крыла вызывают многочисленные вихреобразования, возможные только в вязкой жидкости, лишний раз показывая вязкостную природу подъёмной силы крыла.

    Итак, в 1909 году Н.Е. Жуковский, делая доклад о подъёмной силе крыла самолёта, также пытался объяснить причину её возникновения действием трения и вязкости воздуха, т.к. невозможность определения величины циркуляции скорости не позволяла применить ему для определения величины подъёмной силы, доказанную им ещё четыре года тому назад теорему.

   Слушавшему его  доклад С.А. Чаплыгину пришла гениальная мысль, что все трудности с определением циркуляции скорости можно обойти, если принять подтверждающееся на опытах положение, что при обтекании крыла с острой задней кромкой, эта кромка является линией схода потока с верхней и нижней поверхностей крыла.

   Этим, исходя из того, что при плавном обтекании крыла потоком возможны физически только такие течения, у которых скорость везде конечна, в том числе и в точках острой кромки, как бы косвенно учитывалось влияние вязкости воздуха.

    При обсуждении доклада Н.Е. Жуковского между ним и С.А. Чаплыгиным произошел оживлённый обмен мнениями, из которого выяснилось, что оба они пришли к одному и тому же методу определения неизвестной величины циркуляции. После доклада они показали друг другу тождественные результаты, доложить которые во время доклада не решился Н.Е. Жуковский.

     Так был установлен «постулат Жуковского – Чаплыгина», была создана основа всей современной технической аэрогидродинамики в части теории крыла, пропеллера и гребного винта [16,17].

     Следует добавить, что через два года в работе С.А. Чаплыгина «К теории полёта птиц и насекомых» впервые были приведены крыльевые профили с округленными передними кромками, которые другим путем одновременно были получены Н.Е. Жуковским и носят в настоящее время название «профилей Жуковского». Именно для этих профилей впервые удалось теоретическим путем получить величину подъёмной силы. Кстати следует отметить, что до этого на первых летательных аппаратах применялись профили с острой носовой и задними кромками, что приводило к срыву потока при определённых углах атаки, уменьшению величины подъёмной силы и в конечном случае к аварии.

  Результаты многочисленных русских и заграничных исследований в аэродинамических лабораториях показали хорошее согласование расчётных величин подъёмной силы крыла с величинами подъёмных сил, полученным в результате продувок этих крыльев в аэродинамических трубах. Это лишний раз утвердило уверенность аэрогидродинамиков в якобы абсолютно правильном их подходе к пониманию сущности  предложенной великими аэродинамиками природы подъёмной силы.  Следует также  заметить, что в настоящее время теоретические профили Жуковского используются в практике крайне редко, а тем более предложенный им расчётный метод. Как правило, доверяют больше продувкам в аэродинамических трубах.

    Здесь следует заметить, что указанное выше хорошее согласование было возможно только для крыльев с обеими гладкими поверхностями. Если бы имелось различие (даже случайно появившееся) в их шероховатости, то внимание на эффект влияния шероховатости на одной из поверхностей крыла на его подъёмную силу  было бы обращено еще в начале ХХ века.   Так сказать, «с грязной водой, в своё время, увы! выплеснули и ребёнка (шероховатость)».

    В заключении следует заметить, что сложившееся представление о возможности расчёта подъёмной силы, исходя только из данных обтекания тела потенциальным потоком идеальной жидкости, привело к тому, что многие современные аэрогидродинамики не принимали во внимание в своих исследованиях именно вязкостную природу силы Жу ковского.

     Последнее сказалось на отношении некоторых из них и  к настоящему эффекту и, в частности, к  его оценке. Так, например, в заключении по данному эффекту Казанского авиационного института (1986г.) - эксперты д.т.н., проф. Павлов В.Г., к.т.н., доценты Сидоров О.П., Семаков Л.А. и Нугманов З.Х., анализируя теоретические возможности существования данного эффекта, вели свои рассуждения применительно к идеальной жидкости, в которой обтекание каждого элемента шероховатости заменялось ими обтеканием установившимся потенциальным потоком установленного на поверхности крыла цилиндра. Не удивительно, что они пришли к выводу (пренебрегая представленными мною экспериментальными данными) об уменьшении, а не об увеличении подъёмной силы крыла при повышенной шероховатости его нагнетающей поверхности, то есть, что данного эффекта не может быть потому, что «не может быть никогда».

    К такому выводу приходили и другие специалисты, заменяя крыло с повышенной шероховатостью его нижней поверхности, крылом с более приполненным по нижней поверхности профилем (огибающим бугорки шероховатости). Действительно, обтекание такого крыла с якобы  обосновано выбранным «новым профилем» потенциальным потоком привело бы в итоге к увеличению скорости  обтекания его нижней поверхности и, как следствие, к уменьшению подъёмной силы крыла.

    Последнее, в частности, нашло своё отражение в заключении по данному эффекту в 1987 году Куйбышевского авиационного института (зав. кафедрой аэрогидродинамики д.т.н., проф. Филиппов Г.В. и к.т.н., доцент Шахов В.Г.). Дословно в их заключении сказано: «Так как высота бугорков шероховатости в случае, наблюдаемом автором, достигает значительных величин, то о наличии пограничного слоя на поверхности крыла вряд ли стоит говорить. Здесь скорее речь идет об изменении профиля крыла".        Стоит только поражаться «компетентности» экспертов – выходит, что по мере роста высот бугорков шероховатости пограничный слой исчезает с поверхности крыла (?). А не наоборот ли – происходит увеличение его толщины!

    В данном подразделе уместно также упомянуть основополагающие работы по увеличению подъёмной силы крыла.

    Как известно, Н.Е. Жуковский и С.А. Чаплыгин в работах [16,17] в 1906 – 1910 годах предложили выражение для определения полной силы давления невязкой жидкости на обтекаемое крыло В соответствии с их представлениями основными средствами обеспечения требуемой подъёмной силы на крыле бесконечного размаха является выбор определённого профиля крыла и варьирование его угла атаки вплоть до критических значений, при которых подъёмная сила достигает своего наибольшего значения.  Поэтому в первой же своей работе [18] С.А. Чаплыгин рассмотрел возможные виды профилей крыльев, способствующих увеличению их подъёмной силы при небольших углах атаки (рабочих). В частности, в параграфе 7 «Крылья других очертаний» вышеуказанной работы он предложил крыло с зубчатой  вогнутой нижней поверхностью.  Он писал, что «зубцы будут приблизительно походить на прямоугольные и закругленными в углах выступы и впадины». В этой работе он вывел формулу для определения подъёмной силы у такого крыла и показал, что подъёмная сила при наличии зубцов должна быть больше по сравнению с простым крылом. К рассмотрению подобных профилей он обратился в 1911 году в работе ]18]. Однако, здесь он уже отмечал, что неудачные очертания зубцов могут повлечь и уменьшение подъёмной силы. В работе также приведены формулы для расчёта очертаний зубцов.

    Следует заметить, что ещё в работе 1910 года им указывалось, что впадина на нижней поверхности крыла  приводит к увеличению подъёмной силы крыла, т.к. скорость в точке А (излома профиля) равна нулю и, следовательно, давление потока на обтекаемое крыло будет в районе этой точки максимальное и направлено вверх. К этой идее он возвращается в 1922 году 18]. С этого времени появляется целый ряд работ как самого С.А. Чаплыгина, так и в соавторстве и  с другими исследователями. Так в более поздней работе 1931 года С.А. Чаплыгина и Н.С. Арджаникова рассматривались обтекания различных  профилей подобного типа.

    Так была положена теоретическая основа т.н. механизации крыла, т.е. использования предкрылков, закрылков, различного рода щитков, элеронов, отсасывания, сдувания и т.п., а именно превращения крыла в сложный механизм. Всё это нашло применение в авиации, в которой все проблемы по увеличению подъёмной силы крыла решались с помощью его механизации.

    Крылья, используемые же в других областях техники  (гребные винты, лопатки насосов и турбин и т.п.) механизации не подвергались и увеличение их эффективности обеспечивалось за счёт оптимизации их  профилей.

    Таковы исторические аспекты развития представлений о подъёмной силе крыла, из рассмотрения которых становится ясно – почему данный эффект не нашел в них своего отражения.

 4.2.   Известные исследования  взаимодействия  потока жидкости с шероховатой поверхностью и влияния шероховатых обеих поверхностях  крыла на его подъёмную силу.

  В 30-х годах с ростом скоростей в авиации внимание аэродинамиков было естественно обращено и на такое важное свойство поверхности крыла как шероховатость. Исследовалось, главным образом, влияние на сопротивление таких видов шероховатости как выступающие головки заклёпок, шероховатости стыков листов и шероховатости поверхностей в зависимости от степени их обработки. Проводились также отдельные исследования влияния шероховатости и на подъёмную силу крыла, однако, только для шероховатости обеих поверхностей крыльев.

    Рассмотрим более подробно состояние работ того времени по исследованию влияния шероховатости обеих поверхностей крыла на сопротивление и подъёмную силу.

    Первые исследования в этой области были выполнены в 1928 году Шренком [19] на основании продувок крыла моноплана Юнкерс А – 20, трапециевидной формы в плане, с относительной толщиной, изменяющейся от 0,176С в средней части до 0,117С на концах ( где С – длина хорды). Для получения различной шероховатости на поверхности крыла применялись различные обшивки: листовой дюраль, лакированная и полированная фанера, полотно, фанера, пропитанная маслом, листовой дюраль с головками заклёпок, гофрированные листы, лакированное полотно, грубая ткань и шероховатая фанера.

  В результате исследования им было установлено, что наиболее гладкие поверхности имеют профильное сопротивление близкое к сопротивлению гладкой плоской пластины при её турбулентном обтекании. В тоже время наиболее шероховатые поверхности имеют сопротивление значительно большее.

    В то время как  для профильного сопротивления каждой из более гладких поверхностей характерно приблизительное постоянство его значений вплоть до больших коэффициентов подъёмной силы. А для более же шероховатых поверхностей характерно возрастание значений коэффициента сопротивления при больших коэффициентах подъёмной силы. При этом, чем более шероховата была поверхность, тем меньше было значение коэффициента подъёмной силы, при котором начиналось возрастание профильного сопротивления, тем круче был его подъём. Отсюда следует, что наиболее шероховатые поверхности кроме увеличения сопротивления трения существенно увеличивают и сопротивление формы.

    На этом основании уже по результатам этой одной из первых работ у аэродинамиков сложилось негативное отношение к повышенной шероховатости обеих поверхностей крыла, вследствие того, что в данном случае обеспечение требуемой подъёмной силы сочеталось с существенным увеличение профильного сопротивления. В то время как эта же величина подъёмной силы при гладких обеих поверхностях обеспечивалась при значительно меньшем в целом сопротивлении.

    Исследования, проведенные позже в Кембридже [20], показали, что прирост профильного сопротивления у крыла, например, покрытого тканью по сравнению с гладким крылом составляет около 30%. Дальнейшие уточнения относительно подъёмной силы были получены в результате экспериментов в США Гукера в трубе переменной плотности при числе Re = 3,1х106 [21].  А именно, что царапины глубиной 0,0002С, отстоящие от передней кромки не далее, чем на 0,016С вызывали значительное снижение коэффициента максимальной подъёмной силы, не оказывая заметного влияния на минимальное сопротивление.

    Влияние отдельных выступов на подъёмную силу и сопротивление исследовали также Джекобс [22], Шренк  и Дирборн [23]. Их исследования показали, что влияние изолированных бугорков в значительной степени зависит от их расположения и размеров. Когда плотность расположения бугорков велика и высота их больше, чем 0,001С, вероятно большое увеличение сопротивления, при условии, что они расположены вблизи передней кромки.

    На уменьшение максимальной подъёмной силы крыла от повышенной шероховатости обеих его поверхностей обращают внимание также исследования Джонса и Вильямса, выполненные ими в 1936 году [24].  На основании их работ установлено влияние шероховатости на коэффициент максимальной подъёмной силы – Сy для профиля  NACA 0012. Испытания проводились на модели крыла с хордой С = 203мм в трубе переменной плотности. Придание обеим поверхностям крыла шероховатости при помощи карборундового порошка с размером зерен  0,01мм снизило Сy от значения 1,42 до 1,20 (при Re = 6х106 ).  А при использовании порошка карборунда с размером зерен 0,025мм снизило до1,08.  Таким образом, увеличение шероховатости обеих поверхностей крыла снижало его подъёмную силу, примерно, на 25%.

      Более подробно следует остановиться   на взаимодействии потока жидкости с шероховатой поверхностью, в частности, на известном влиянии шероховатости на сопротивление, физических основах этого влияния и характеристиках шероховатости в той мере, которая необходима будет в дальнейшем для понимания физической сущности возникновения при этом еще и поперечной (подъёмной) силы.

    Действительно, как изложено в обобщении результатов работ, выполненных еще в 30-е годы [25,26,27] поверхность является аэродинамически шероховатой в том случае, если её элементы влияют в измеримых размерах на сопротивление. При этом это влияние зависит не только от величины и расположения этих элементов, но также и от условий течения в пограничном слое.

    Любая данная поверхность является аэродинамически гладкой при обтекании потоком, число Рейнольдса которого ниже определённого, и шероховатой, если число Рейнольдса выше этого значения.

    Все поверхности становятся шероховатыми при достаточно больших значениях числа Рейнольдса. Шероховатость поверхности можно в общем случае охарактеризовать тремя параметрами:

  1. относительной шероховатостью, за которую можно принять отношение средней высоты бугорков к линейному размеру тела;
  2. плотностью шероховатости;
  3. параметрами формы.

    Однако, в случаях, когда бугорки расположены достаточно густо, для характеристики шероховатости обычно достаточно одного первого параметра. Оказывается, что бугорки влияют на сопротивление только в тех случаях, когда они выступают за тонкий ламинарный подслой.  Когда они выше, чем величина этого подслоя, то за ними образуются вихри, которые и являются причиной повышения сопротивления. При больших значениях числа Рейнольдса почти все потери энергии вызываются образованием вихрей за бугорками;  сопротивление при этом не зависит от вязкости и пропорционально квадрату скорости. Следует заметить, что отношение средней высоты бугорков на поверхности крыла к толщине ламинарного подслоя не постоянно вдоль (по хорде) всей поверхности крыла. Если пограничный слой турбулентен на всей поверхности, то вблизи передней кромки это отношение сравнительно велико и, следовательно, поверхность является аэродинамически шероховатой, и, в этом случае, сила трения не зависит от вязкости. За этой областью может оказаться область,  в которой приходится учитывать как шероховатость, так и вязкость. Далее может следовать аэродинамически гладкая поверхность. При этом условия оказываются ещё более сложными в случаях, когда впереди турбулентной области, вблизи передней кромки, имеется область, где как отмечает Г.Шлихтинг [28] и как, показано было выше, важную роль играет относительная шероховатость - к/б, где к – средняя высота бугорков шероховатости и б – толщина пограничного слоя.

    Там же [28] говорится и о допустимой высоте бугорков шероховатости с точки зрения сопротивления, а именно о той предельной высоте их, которая при обтекании поверхности ещё не вызывает увеличения сопротивления по сравнению с сопротивлением гладкой поверхности. Она различна для ламинарного и турбулентного пограничного слоя. Так для кораблей  это неосуществимо. Для крыльев самолётов и лопаток воздуходувок находится в пределах от 0 до 0,1 мм, что при очень тщательной обработке поверхности достижимо. В тоже время для лопаток паровых турбин вследствие высоких чисел Рейнольдса из-за большого давления она составляет всего 0,0002 – 0,002 мм, что обеспечить невозможно, да и бесполезно из-за возникающей коррозии и отложения солей.

    Таковы основные требования к шероховатости исходя из обеспечения минимального сопротивления. И, к такой степени обработки обеих поверхностей крыльев стали стремиться начиная с 30-х  годов ХХ века.

    К аналогичным результатам применительно к подъёмной силе крыла, но на основании исследований крыльев с другими профилями и при варьировании способов обеспечения повышенной шероховатости их обеих поверхностей, пришли и другие исследователи 30-х годов [25,26].

    В результате этого возросли требования к шлифовке поверхностей крыльев, а исследования в этой области прекратились. Каких либо исследований по влиянию повышенной шероховатости только какой-либо одной  из поверхностей крыла на его подъёмную силу, как показал многолетний поиск автора и экспертов ВНИИГПЭ в процессе рассмотрения его заявок на открытие и изобретения, до настоящего времени не проводилось.

   Также ничего не дал автору его трехлетний поиск таких исследований, проводившихся, начиная с 1905 года и по настоящее время, при разработке изобретателями всего мира  различных патентов летательных аппаратов. Такая возможность представилась благодаря любезности одного знакомого, бывшего беженца, работавшего последние десятилетия в патентном бюро в г. Вашингтоне. Анализ патентов конструкций более  чем 50  летательных аппаратов (копиями которых обладает в настоящее время автор), показали, что в те далёкие времена, на заре воздухоплавания, конструкторы этих экзотических летательных устройств, они же  их испытатели – лётчики , наиболее близко стояли к созданию шероховатости на нижней поверхности крыла, которая давала бы рассматриваемый в данной работе эффект. Увы многие из предлагаемых ими устройств были всего лишь своего рода интерцепторами. И не давали желаемого ими результата – увеличения подъёмной силы их аппаратов.

     В частности, из рассмотрения истории борьбы исследователей за получение наибольшей подъёмной силы на крыле, можно сделать вывод, что наиболее правильное, но, на первых порах,  чисто  интуитивное представление о физической сущности  этого явления, было свойственно исследователям впервые взявшимся за решение этой проблемы. Да, это и естественно.  Поначалу, ведь большинство размышляет исходя из здравого  смысла. Но, только, если  повезёт, только отдельные  успевают принять  нетрадиционное решение, продемонстрировав, как это принято сейчас называть – интерактивное мышление. Талант в этом и заключается, чтобы устоять и успеть, пока …, пока… не нагрянули, не обрушились на мозг исследователя те догмы и шаблонные знания, которые он получил во время обучения и той рутинной работы, которой ему  приходилось заниматься. А, чтобы это не случилось, желательно быть хорошим специалистом в своей области знания и энциклопедистом в сопутствующих.

А самое главное надо  помнить афоризм Козьмы Пруткова «Зри в корень!» И следовать ему.

     4.3.   Эффект Магнуса, различрые способы увеличения подъёмной силы и место среди них исследуемого эффекта.

   О возможности возникновения поперечной силы, направленной в сторону обтекаемой потоком поверхности, вследствие её взаимодействия с набегающим потоком, было известно ещё в середине ХIХ века. Это известный эффект Магнуса – возникновение поперечной силы, действующей на тело, вращающееся в набегающем на него потоке жидкости или газа.

   Как указывается в [28], немецкий учёный, специалист по баллистике пушечных ядер, Г.Г. Магнус (H.G. Magnus) открыл этот эффект в 1852 году. В [28] дается следующее его описание.

  Так, например, если  вращающийся бесконечно длинный круговой цилиндр обтекается безвихревым потоком, направленным перпендикулярно его образующим, то вследствие вязкости жидкости скорость течения со стороны, где направление скорости  V потока и вращения цилиндра совпадают, увеличивается (см. рис. 9), а давление уменьшается.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.9.   Возникновение поперечной силы при обтекании потоком  тела от различия
в скоростях обтекания его верхней и нижней поверхностей.

    В тоже время, со стороны, где они противоположны- 

- скорость уменьшается, а вот давление возрастает.

  В итоге появляется поперечная сила Р, направленная в

 сторону поверхности, обтекаемой с  меньшей скоростью,

 наличие которой определяется законом Л. Бернулли ,

 а величина теоремой  Н.Е. Жуковского.                            

    Аналогичная сила возникает и при набегании потока на вращающийся шар, этим объясняется криволинейный полёт закрученного теннисного мяча, шарика при игре в настольный теннис, а также футбольного или волейбольного мяча(подача "сухой лист"). Направлена поперечная сила всегда от той стороны вращающегося тела, на которой направления вращения и направления потока противоположны, к той стороне, на которой эти направления совпадают. И, заметьте, на чём акцентирует внимание Магнус, давая описание своего эффекта, что всё это происходит - "вследствие вязкости жидкости". Вот об этом - то все и позабыли на целых сто лет.

    Рассматриваемый новый эффект также обусловлен различием во взаимодействии с потоком противоположно расположенных гладкой и шероховатой поверхностей  тела (см. рис.9) и также возникает вследствие влияния вязкости жидкости, и в этом смысле аналогичен описанному выше эффекту Магнуса, при котором поперечная сила возникает вследствие различия во взаимодействии с потоком движущихся в направлении потока и против него противоположных поверхностей тела.

    В тоже время,   при возможных вариантах своего практического использования,  новый эффект обладает огромным преимуществом по сравнению с эффектом Магнуса. Это преимущество  заключается, во-первых в том, что для его реализации не требуются затраты энергии на обеспечение движения противоположно расположенных поверхностей. И во- вторых в том, что он более удобен для его реализации именно на крыльях, с помощью которых, главным образом, и обеспечивается получение подъёмной силы в технических объектах.

     Известно, что  при симметричном  обтекании тела потоком жидкости или газа  аэрогидродинамическая сила состоит только из сил сопротивления. При асимметричном обтекании она складывается из силы сопротивления и силы, направленной поперёк набегающего потока (подъёмной силы). Асимметрия обтекания, как известно, достигается воздействием на характер обтекания одной из поверхностей тела путем применения асимметричных профилей, изменения угла атаки или применения различного рода механизации крыла (закрылков, предкрылков, интерцепторов, вдува, отсоса и т.п.).

    При этом возрастание подъёмной силы происходит только до определённых углов атаки, называемых критическими углами атаки, и равными для крыльев большого удлинения 12 – 18 градусов, а малого удлинения (1- 1,5) до 25 – 40 градусов. При углах атаки, превышающих критические, происходит отрыв потока с верхней (засасывающей) поверхности и подъёмная сила уменьшается..

    Известны способы и устройства увеличения критических углов атаки и тем самым увеличения максимальной подъёмной силы крыла путем воздействия на обтекание верхней (засасывающей) поверхности с помощью различных вихреобразующих устройств (предкрылков, закрылков, щелей и т.п.) или  отсасывания (сдувания) с нее пограничного слоя, позволяющих добиться либо предотвращения отрыва потока до больших углов атаки (чем критический), либо переноса места отрыва пограничного слоя к задней кромке этой поверхности, чем достигается в итоге увеличение максимальной подъёмной силы, получаемой от крыла данного профиля [28].

     Известны разработанные на основании предложений С.А. Чаплыгина [18] способы и устройства для воздействия на характер обтекания также и нижней поверхности с целью увеличения подъёмной силы крыла. В частности, с использованием закрылков и штор (патент США № 4605187, заявка Франции (№2572705) и др.), а также путем вдувания газов против набегающего потока (заявка ФРГ № 2508974 и т.п.).  Как правило, реализация такого воздействия связана с дополнительным подводом энергии.  Аналогично, дополнительного подвода энергии требует также подача воздуха (газа) под нижнюю поверхность крыла против набегающего потока.

    Однако, имеется и ряд устройств для воздействия на  обтекание нижней поверхности и стационарно на ней устанавливаемых.  Примером может служить устройство по патенту США №4542868 от 24.09.85, представляющее собой интерцептор в виде угольника (с выступающей стороной равной 26 мм), установленный у задней кромки нижней поверхности крыла (с хордой, примерно, равной 1,5 – 2,0м). Аналогичное устройство устанавливается также у задней кромки по заявке № 0353166 от 05.07.87 ФРГ.

    Следует заметить, что от перечисленных выше устройств воздействие на характер обтекания обеспечивается лишь для района задней кромки нижней поверхности крыла и следа от крыла, а не на всей нижней поверхности. Для достижения этой  же цели предложено во Франции устройство по заявке № 2547269 от 14.12.84., заключающееся в изменении профиля нижней поверхности крыла и придания ей волнистости (2 – 3 перегиба). Однако, следует заметить, что здесь идёт речь об изменении в целом профиля крыла, а не об изменении свойства его поверхности, такого, как шероховатость.

    Известны также способы  и устройства для воздействия на обтекание аэродинамического профиля по заявкам  ФРГ №3320481 от 13.12.84. в направлении увеличения подъёмной силы и уменьшения сопротивления, отличающееся тем, что для получения местных изменений профиля за счёт возбуждения колебаний давления и ускорения потока, специально, также за счёт подвода дополнительной энергии, возбуждают колебания нижней поверхности крыла.  Аналогично, в частности, для целей управления пограничным слоем, в патенте № 4516747 США используют активные вибраторы.

    Анализируя все перечисленные способы и устройства воздействия на обтекание тела с аэрогидродинамическим профилем, с целью определения наиболее близких исследуемому, следует отметить следующие их недостатки, присущие каждому из них в той или иной степени:

- необходимость подвода дополнительной энергии и связанной с этим малой надёжностью способов;

- резкое увеличение сопротивления, что приводит к значительному снижению качества крыла;

- искажение в большей или меньшей степени  первоначального профиля крыла за счёт .установки специальных устройств.

     Дополнительный патентный поиск представилась возможность произвести (см. раздел 8.3.) значительно позже, когда готовились автором материалы для нескольких конкретных изобретений.   

     И он также подтвердил патентную чистоту.

     Отличие  исследуемого способа увеличения подъёмной силы являлось то, что он лишен указанных выше недостатков, а также и  то, что он является надёжным и не связан с какой-либо механизацией крыла.

     4.4.   К вопросу о теоретическом  представлении эффекта

     4.4.1.  В основу современной аэро - и гидродинамики положено предположение о том, что вместо обтекания крыла потоком действительно вязкой жидкостью можно рассматривать обтекание контура крыла, утолщенного за счёт пограничного слоя, потоком идеальной, т.е. невязкой жидкости. При этом предполагается, что внутри пограничного слоя имеются вихри, суммарная циркуляция которых вместе с вихрями в вихревом следе крыла и определяет величину подъёмной силы. Однако, ввиду сложности, а точнее практической невозможности определения суммарного вклада всех этих вихрей в формирование величины подъёмной силы, Н.Е. Жуковским было предложено их суммарное воздействие заменить действием так называемых присоединенных вихрей, создающим во внешней потенциальной области обтекающего крыло потока такое же скоростное поле, как и указанные выше вязкие вихри. Это позволило с учётом постулата Чаплыгина – Жуковского о конечной величине скорости обтекания задней, острой кромки профиля крыла, создать им в итоге приближенный метод определения подъёмной силы – силы Жуковского.

     4.4.2.    Как же на основании известных теоретических положений современной аэрогидродинамики можно объяснить возникновение данного эффекта? Действительно известно. Что при плоском обтекании тела установившемся потенциальным (безвихревым) потоком, когда действие сил вязкости и вблизи обтекаемой поверхности отсутствует, подъёмная сила, также как и сила сопротивления равняются нулю. Именно поэтому в теореме Н.Е. Жуковского, выведенной для такого  потенциального обтекающего потока, циркуляция скорости равняется удвоенной сумме напряжений не реальных вихрей, а присоединенных вихрей, размещаемых внутри обтекаемого тела (крыла).

    В тоже время, известная формула Жуковского – Чаплыгина для циркуляции скорости получена из условия обтекания тела реальным потоком с пограничными слоями (постулат Чаплыгина – Жуковского). При этом поле скоростей, вызываемое в обтекающем потоке присоединенными вихрями Жуковского при безотрывном обтекании крыла практически такое же, как и поле скоростей, вызываемое в реальном потоке удвоенной суммой напряжений реальных вихрей, создаваемых в его пограничных слоях.

    Следовательно, возникающая в реальном обтекаемом потоке сила Жуковского прямопропорциональна удвоенной сумме напряжений вихрей, действующих в пограничных слоях крыла.

    На поверхности крыла с распределённой шероховатостью за каждым бугорком шероховатости создаются локальные вихри, и вся шероховатая поверхность крыла покрывается вихревой пеленой. Естественно, сумма напряжений этих реальных вихрей на шероховатой поверхности будет больше, чем на противоположно расположенной – гладкой. В результате этого величина циркуляции скорости крыла и соответственно его подъёмная сила с шероховатой нижней (нагнетающей) поверхностью будет больше, чем у аналогичного крыла с обеими гладкими поверхностями.

    Таково принципиальное объяснение причины возникновения эффекта. 

    4.4.3.   Однако, для более полного анализа экспериментальных данных и создания в дальнейшем расчётной методики необходимо более детальное рассмотрение особенностей обтекания шероховатой поверхности в части возникновения при этом наряду с силой сопротивления ещё и поперечной силы, направленной в сторону этой поверхности.

    В частности, полезно рассмотреть, как изменяется действие сил вязкости жидкости (газа), а именно на нижней поверхности профиля крыла, при наличии на ней шероховатости. В связи с тем, что во время описанных выше натурных и лабораторных исследований, высота бугорков шероховатости с заостренными верхними кромками была значительно больше толщины ламинарного слоя или ламинарного подслоя в турбулентном слое, под шероховатостью, при данном рассмотрении, будем понимать такую шероховатость, при обтекании которой реализуется, так называемый, второй предельный режим, т.е. когда указанные бугорки шероховатости выступают за пределы ламинарного течения и обтекаются при существенных скоростях  с отрывом потока и образованием в кормовой области каждого бугорка сосредоточенных вихрей.  При этом от этих сосредоточенных вихрей, как известно, давление за каждым бугорком (на задней стороне бугорка) падает и создает существенный перепад давления на бугорке. В этом случае полное сопротивление каждого бугорка складывается из сопротивления трения и сопротивления давления, т.е. имеет место обтекание плохообтекаемых тел, благодаря чему, естественно, наличие квадратичного закона сопротивления. Коэффициент сопротивления при этом, являясь функцией относительной шероховатости, перестает зависеть от числа Рейнольдса.  Что касается вопроса формирования при этом суммарной поперечной (подъёмной) силы, направленной в сторону поверхности, на которой расположены бугорки шероховатости, то он в настоящее время не исследован.  Однако, по-видимому, можно исходить из предположения, что при обтекании реальным потоком бугорков шероховатости зоны повышенного давления (на поверхности), образующиеся перед каждым бугорком, будут превалировать вследствие интерференции над зонами пониженного, повышая в целом давление на шероховатую поверхность.   Для подтверждения физической сущности этого явления целесообразно выполнение продувок в аэродинамической трубе дренированной (для замера давления) плоскости с установленными на ней различными вариантами расположения макромоделей бугорков шероховатости и при обеспечении, с помощью подтормаживающих устройств, требуемой эпюры скоростей обтекающего потока, имитирующего пограничный слой в соответствующем масштабе.

    Естественно говорить о полноценном моделировании  процесса обтекания бугорков шероховатости в реальных условиях здесь не приходится, так как невозможно обеспечить моделирование всех необходимых параметров и свойств воспроизводимого в значительно большем масштабе пограничного слоя.  Однако такой способ моделирования в аэродинамике практикуется и, в данном случае, возможно, он является единственным, который может дать данные для составления суждения о физической сущности  эффекта.

   4.4.4.     Следует также заметить, что ввиду криволинейности профиля крыла действие сил вязкости по-разному проявляется от носика до задней кромки профиля. Как известно, роль сил, обусловленных вязкостью среды, тем более, чем больше градиент скорости по нормали к направлению течения и чем меньше скорость течения, т.е. чем меньше число Рейнольдса.   Здесь следует отметить, что особенно в районе  носика скорость течения на нижней (нагнетающей) поверхности вследствие обычно применяемых форм профилей крыльев несколько меньше скорости течения над верхней (засасывающей) поверхностью. Соответственно в этом районе наиболее заметно меняется и скорость обтекания (градиент).  В итоге, именно здесь наиболее существенно себя проявляют силы, обусловленные вязкостью среды. Образующиеся вблизи носика профиля вихри общим течением уносятся  к задней кромке крыла, заполняя всю поверхность крыла и продолжаясь дальше в его следе. При этом, в случае повышенной шероховатости этого района (носика) мелкие вихри при движении вдоль хорды крыла могут объединяться и образовывать вихри значительной интенсивности.

    Таким образом, бугорки шероховатости, расположенные вблизи носика  профиля являются исключительно активными источниками вихреобразования, играют роль своего «поставщиков вихрей», причём вихрей крупного масштаба и в больших количествах.                                                                                            Далее, ближе к середине хорды и ближе к задней кромке профиля может иметь место область, где относительная высота бугорков шероховатости будет ввиду увеличения толщины пограничного слоя сравнительно меньше. Однако, они всё равно будут являться источниками вихреобразования, особенно с увеличением углов атаки обтекания крыла, влияющими, главным образом,  и, зачастую, весьма интенсивно на характеристики следа крыла. В целом относительная высота бугорков шероховатости и вклад их в вихреобразование на нижней (нагнетающей) поверхности крыла при одинаковых углах атаки будет, пожалуй, уменьшаться по мере приближения к задней кромке крыла, при соответствующем росте с увеличение углов атаки.

     В заключение следует заметить, что вышеприведенные сведения и соображения целесообразно в дальнейшем  использовать при анализе результатов экспериментальных исследований и при разработке экспериментально – компьютерной методики расчёта.

   5.    Исследования  аэродинамических  характеристик   крыльев  с  целью определения возможностей повышения их  эффектпвности при использовании данного эффекта.                            

   5.1.   Характеристики  исследуемого крыла и шероховатостей его нагнетающей поверхности.

    С целью исследования влияния на аэродинамические характеристики крыла с повышенной шероховатостью его нижней (нагнетающей) поверхности были выполнены в 1986-87 годах необходимые для этого продувки в большой аэродинамической трубе ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова [39,40, 41].  При этом варьировались:

-  вид равномерно распределённой шероховатости (форма и      размеры бугорков (элементов) шероховатости;

-  плотность их размещения;

-  районы расположения участков с повышенной шерохова-   тостью  на нагнетающей поверхности крыла.

Продувки производились при скоростях набегающего воздушного потока  - 15,20,30, и 40м/с (большая часть при 40м/с). Углы атаки двухкратно фиксировались с интервалами +2 - +5 в диапазоне от –2 до +32. Измерения величин аэродинамических характеристик  Сх, , Су  и  mz  производились как  в поточной , так и в связанной системах координат.

    В качестве суммарной относительной характеристики различных видов и плотностей размещения шероховатостей (Шотн.) на всей площади нагнетающей поверхности исследуемого крыла было выбрано отношение суммарной площади проекции на плоскость перпендикулярную потоку выступающих над поверхностью (на площади 1 дм2) бугорков шероховатости (Ш) ко всей площади нагнетающей поверхности крыла (S кр.), т.е.                                            Шотн. = Ш / Sкр.                                   

     Когда не вся площадь нагнетающей поверхности крыла была покрыта бугорками шероховатости, а только часть этой площади (Sшер.),  то указанная выше характеристика умножалась на отношение  Sшер./Sкр.,  т.е. в качестве характеристики такой комбинированной шероховатости крыла принималась величина:                                                                                    Шотн. = Ш х Sшер / S кр.                         

    Для обеспечения возможности сравнительного анализа с натурными данными относительно крыла оперения было выбрано крыло с примерно аналогичным профилем, а именно с симметричным профилем, с хордой 1100мм, размахом 1000мм и максимальной толщиной 198мм (18% толщины), без шайб.

    Шероховатость нагнетающей поверхности крыла, обеспечивалась наложением и закреплением на ней вдоль размаха крыла (от носика) полос тонкой (0,2мм) латуни шириной 100мм, 200м и 300мм, см. рис.10.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.10.  Полосы листовой латуни, закрепленные на одной поверхности крыла.

 На этих полосах с помощью пробойника круглого сечения с четырехгранной насечкой на конце и пуансона были предварительно набиты в шахматном порядке (путем сквозного пробивания латуни) бугорки (элементы) шероховатости. Они в достаточной мере имитировала обрастатели типа балянусов с их заостренными, турбулизирующими набегающий поток, острыми кромками (рис.11).

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.11.    Бугорки шероховатости с острыми, турбулизирующими поток кромками.

    В зависимости от варьируемых диаметров пробойников – (3мм, 6мм, 8мм,  и 12мм) различалась мелкая (м), средняя (с), крупная (к) и очень крупная (ок) шероховатость, представляющая собой выступающие над поверхностью цилиндрики, имеющие внешние наибольшие  у поверхности диаметры – 3,5мм, 7мм, 9мм и 13мм, с рваными верхними кромками и высотой, соответственно 2мм, 3,5мм, 4,5мм, и 5,5мм.

 Варьировалась также плотность их размещения:

 - редкая (р)    14 бугорков на 1 дм.2;

 - средняя (с)   20 бугорков на 1 дм.2;

 - частая (ч)      42 бугорка на 1 дм.2.

    Результаты продувок крыла с наиболее характерными видами шероховатости («КЧ100» -крупная, частая, почти на всей поверхности; «КЧ600» - такая же, но на 600 мм от носика, «КР600+СР400» - крупная, редкая на 600мм  от носика и далее -  средняя, редкая на 400мм, почти до  задней кромки)  представлены в акте испытаний [39], которые проводились в большой аэродинамической трубе ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова  по теме [40], см. рис.12 и 13.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.12.   Зависимость коэффициентов подъёмной силы и лобового сопротивления крыла от угла атаки при варьировании шероховатости его нижней поверхности.   Где:

1. – гладкое;  2. - КЧ1000 – крупная (диаметр 8мм, высота 4мм), частой (40 элементов  на 1 дм2 ), от передней кромки до 1000мм вдоль хорды крыла;  3.- КЧ600 – такая же,но от передней кромки до 600мм;   4. – КР600+ СР400 – крупная, но редкая (14 элементов на 1дм2) до 600мм от передней кромки и далее 400мм – средняя (диаметр 6мм, высота 3мм), редкая.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.13.   Зависимость качества крыла К=Су х   и процентного увеличения подъёмной силы крыла от угла атаки при варьировании шероховатости его нижней поверхности.  Где: 1. – гладкое;  2. – КЧ1000;  3. – КЧ600;       4. – КР600+СР400.

     Кроме того, варьировалось место расположения на нагнетающей поверхности районов с шероховатостью.   Отсчёт расположения районов производился от носика профиля (передней линии пересечения верхней и нижней поверхностей). При этом были приняты следующие обозначения:

«КЧ1000» – крупная, частая шероховатость от носика крыла по всему размаху на 1000мм по образующей профиля.    Шотн. = 105,8 х10 -5

«КЧ600» – тоже, только на 600мм.   Шотн. = 63,5х10-5

«КР600  + СР400» – крупная, редкая от носика на протяжении 600мм, а потом средняя, редкая на 400мм.              Шотн. = 30,5х10-5

«ОКС1045» – очень крупная, средняя на протяжении 1045мм.                                                                                                       Шотн. = 124,3х10-5

«Ш (d4, П100)1045» - эта шероховатость обеспечивалась иным способом. А именно практически на всю нагнетающую поверхность накладывалась и закреплялась плотная льняная материя, на которую с помощью клея «88» были наклеены шарообразные  пластмассовые крупинки диаметром 4мм с плотностью 100 штук на 1дм.2

                                                            Шотн = 1085,5х10-5

 "Ш(а+б+с+d)" - это  условная шероховатость от 17 интерцепторов установленных по  всей нагнетающей  поверхности крыла  поперёк потока и по  всему его размаху                                                              Шотн = 70,2х10-5

    Результаты продувок и с другими типами шероховатости представлены на рис.14 и 15.

 


 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.14.  Зависимость коэффициентов подъёмной силы и лобового сопротивления от угла атаки и при варьировании шероховатости его нижней поверхности, ва также установки на неё интерцепторов.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.15.  Зависимость качества крыла и процентного увеличения его подъёмной силы при варьировании шероховатости его нижней поверхности, а также установки на неё интерцепторов.  Где:

1.– гладкое

2. – КЧ1000 – крупная (диаметр -  8мм, высота – 4мм), частая (40 элементов на 1дм2) от передней кромки до1000мм вдоль хорды крыла (Шотн  = 106х10-5 );

3. – ОКС1045 – очень крупная (диаметр 12мм, высота – 6мм), средняя  - 20 элементов на 1дм2    от передней кромки до 1045мм вдоль хорды крыла, Шотн   =124х 10-5  ;           

4. - Ш(d4.n100)1045 – на льняную материю были наклеены диаметром 4мм шарообразные крупинки из пластика с плотностью 100 штук на 1дм 2 от передней кромки до 1045 мм вдоль хорды крыла, Шотн=114х10-5                                                     

5.– И(а+в+с+д) на нагнетающей поверхности, поперек потока, вдоль всего размаха крыла, были равномерно расположены 17 интерцепторов, имевших в сечении треугольник 15х15х2мм, Шотн.= 70х10-5

6.- КР600+СР400 – крупная, но редкая, 14 элементов на 1дм2  до 600мм от передней кромки и далее  400мм, средняя, диаметр 6мм, высота 3мм, редкая, Шотн. = 30х10-5.

    Всего было исследовано 27 видов (тут была и перфорированная резина и пр.). При этом неоднократно осуществлялись  продувки крыла с обеими гладкими поверхностями.

 5.2.   Анализ результатов проведенных исследований

     Результаты  продувок  ( см. рис 12, 13,14, и 15)позволяют сделать следующие выводы:

    Из анализа кривых  Су шер / Су % на рис.13 и 15 видим, что увеличение подъёмной силы крыла в диапазоне изменеиия углов его атаки от 20 до 80  (критического угла атаки для крыла с гладкими поверхностями) находится, примерно, в пределах от 100%  до 25%. При установке же такого крыла с наивыгоднейшим углом атаки, близким к критическому 140  (см.рис.15, кривая к =Су/Сх  апогея достигает для КЧ1000  именно при 14  градусах  угла атаки), то это увеличение к этому углу несколько снижается – примерно, до 20%.

   Однако,  при установке крыла с таким, чуть не в два раза большим критическим углом, суммарная величина его подъёмной силы будет складываться из величины подъёмной силы крыла, определенной как для гладкого при 140 , и +20% добавка от его шероховатости. В итоге его подъёмная сила существенно возрастет. Но об этом – позже, в разделе 5.3.

При этом  значения, приведенные выше, практически, не зависят от скорости набегающего потока (15-40 м/с).

        

На величину  подъёмной силы влияют следующие факторы:

     5.2.1.   Влияние вязкости жидкости                        

    Из сравнительного анализа натурных данных и результатов продувки данного крыла следует, что наличие повышенной шероховатости на одной из поверхностей вызывает при нулевом угле атаки (у нас по горизонтальному оперению есть только единственные натурные данные при угле обтекания его  с углом близком нулевому) такую же подъёмную силу, которая может быть получена как разворотом  горизонтального оперения ПЛ, так и установкой исследуемого крыла под углом атаки  3 – 4 градуса при условии гладкости обеих поверхностей этих крыльев.

    Рассмотрим причины и условия получения этих сил при обтекании практически одинаковых крыльев  потоками жидкости с различной вязкостью, т.е. водой и воздухом:

1. В натурных условиях это было достигнуто при обтекании водным потоком горизонтального оперения - крыла с симметричным профилем  за счёт более или менее равномерного  распределения на одной его поверхности обрастателей – балянусов высотой 8 – 10  мм (с диаметрами  8-9мм) и плотностью размещения порядка 10-15 штук на 1дм.2, т.е. при шероховатости, относительная характеристика которой  Шотн.нат.  = 5х10-5,  при Re = 6,3х10-7  (по средней хорде 4,5 м, наибольшей скорости  14м/с).                                              

2.  В лабораторных условиях это же было достигнуто при обтекании воздушным потоком крыла с симметричным профилем и с относительной толщиной близкой к относительной толщине крыла горизонтального оперения. Это крыло имело повышенную шероховатость нагнетающей поверхности типа «КЧ1000». Элементы крупной и частой шероховатости этого крыла были  типа балянусов, ибо также как и они имели острые верхние кромки, турбулизирующие поток. Однако высотой они были - 4мм, а диаметром 8мм, при плотности размещения 40шт. на 1дм.2. Относительная характеристика их  шероховатости была  Шотн.мод. = 106х10-5 , при  Re = 3,5х10-6,(по хорде равной 1,1 м и при скорости – 40м/с.).                                           

     Таким образом,  одинаковая эффективность крыльев с повышенной шероховатостью была получена : для воды с Шотн.нат. = 5х10-5,  а для воздуха с Шотн.мод. = 106х10-5 , т.е. для воздуха с относительной величиной в 21 раз больше,  см. рис.16.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.16.   Графики соотношений толщины пограничного слоя и высот элементов шероховатости на крыле (в воздухе) и натурном крыле (в воде).

    Таковы предварительные оценки влияния вязкости.  Окончательную же оценку представится возможность получить только после проведения сопоставительных исследований в воздухе и в воде для одних и тех же крыльев с использованием безразмерных характеристик шероховатости.

 Однако уже сейчас необходимо отметить следующие два выявившиеся обстоятельства:

А) Анализ соотношений рассчитанных толщин пограничных слоёв для крыла горизонтального оперения и продувавшегося крыла с высотами элементов шероховатости соответственно 4мм и 8 – 10 мм  показал, во-первых, что, начиная с расстояния равного 11 – 14% длины хорды от передней кромки и далее по потоку, высоты элементов шероховатости были меньше толщин турбулентного пограничного слоя (ПС), рассчитанного для гладких поверхностей крыльев (толщина ПС у задней кромки крыла оперения около 47мм, а у продувавшегося крыла около 21мм).

Во-вторых, оказалось, что имело место практически одинаковое их процентное соотношение по длине хорды для того и другого крыла (см. рис.16).

Б) А вот, пожалуй, более важное обстоятельство – следствием того, что для воды  потребовалась величина относительной шероховатости  более чем в двадцать раз меньше, чем для воздуха, может являться то, что при соответственно возможно меньшей при этом величине сопротивления крыла оперения,  отношение величины коэффициента подъёмной силы крыла оперения к величине коэффициента силы  сопротивления крыла оперения, т. качество такого крыла будет больше, нежели чем у лабораторного крыла.

     5.2.2.    Влияние месторасположения районов с повышенной шероховатостью

    Месторасположение районов с повышенной шероховатостью на нагнетающей поверхности крыла также значительно влияет на получение наибольшей дополнительной подъёмной силы и на соотношение между её приростом и приростом при этом сопротивления. Из рассмотрения рис.17 и 18 видно, что наибольшее долевое участие в создании дополнительной подъёмной силы принимают передние и задние (по хорде) районы нагнетающей поверхности крыла, однако кроме передней закругленной кромки, которая, наоборот, с возрастанием углов атаки уменьшает её.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.17. Изменение с возрастанием угла атаки долевого участия в дополнительной подъёмной силе и сопротивлении от повышенной шероховатости соответствующих участков нижней (нагнетающей) поверхности при поочередном снятии шероховатости в направлении от носовой кромки к концевой части крыла.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис. 18. Тоже, но при снятии шероховатости в направлении от концевой оконечности крыла к его носовой кромке.

    Последнее обстоятельство можно объяснить перемещением с ростом углов атаки передней критической точки от носика в сторону засасывающей поверхности, вследствие чего повышенная шероховатость этого района вызывает изменение характера обтекания также и на засасывающей поверхности крыла.

    Для оценки влияния мест расположения районов с повышенной шероховатостью и её типа (на нагнетающей поверхности)  на дополнительную подъёмную силу целесообразно пользоваться графическими зависимостями приращения Сy (при угле атаки = 0) от характеристики шероховатости Шотн. =10-5 , которая пропорциональна увеличению сопротивления ( Сх) крыла от шероховатости.

   Анализируя аналогичные графические зависимости, или зависимости приращений   Сy   от   Сх  для различных типов шероховатости, можно выбрать наиболее целесообразный тип шероховатости и его месторасположения на данном крыле с целью увеличения приращения Сy и  качества крыла.            

   5.2.3.. Влияние плотности размещения элементов шероховатости, их формы,  геометрических размеров и особенно турбулизирующих поток свойств.

    Влияние результатов продувок показал, что плотность размещения элементов (бугорков) шероховатости, геометрические размеры и особенно турбулизирующие поток свойства, связанные с наличием верхних острых кромок, оказывают существенное влияние  на получение  дополнительной подъёмной силы.  

    Так исследования на дополнительную подъёмную силу шероховатости нагнетающей поверхности крыла в виде углублений перфораций (накладываемой листовой перфорированной резины) показали сравнительно меньшее влияние такого типа шероховатости.  Это лишний раз подтверждает сделанный выше вывод о большом влиянии турбулизирующих поток свойств элементов шероховатости. Подтверждением этого же вывода является также сравнение эффективности шероховатости типа «КЧ1000» (Шотн. = 105,8х10-5) ) и шероховатости типа «Ш(d4,П100)1045» с почти равной относительной  шероховатостью (Ш = 108,5х10-5), что видно из рассмотрения кривых  Сy  на рис. 14 и 15. Так, для шероховатости типа «Ш(d4, П100)1045» дополнительная подъёмная сила   Сy составляет, примерно, 2/3 от  увеличения Сy для шероховатости типа «КЧ1000», при значительно худшем качестве крыла.

     На первый взгляд вызывает удивление – почему дополнительная подъёмная сила с шероховатостью типа «ОКС1045» меньше, чем у крыла с «КЧ1000» Оказывается бугорки шероховатости существенно отличались по форме от остальных, т.к. имели желудеподобный вид, вследствие того, что при их создании не обеспечивалось сквозное пробивание латуни пробойником и, в итоге, их верхние кромки оказывали меньшее турбулизирующее  воздействие на поток.

    Таким образом, и этот случай подтверждает общее правило о сильном влиянии на создание как дополнительной подъёмной силы, так и,  более высокого качества крыла турбулизирующих свойств элементов шероховатости  на набегающий поток.

    Этот же вывод подтверждает и использование  установленных на нагнетающей поверхности крыла поперек потока указанных выше интерцепторов, а именно:

- интерцепторы, например, вариант «И(a + b + c + d )» менее эффективны, чем распределённая шероховатость типа «КЧ11000», так   Сy от И(a + b + c + d)  составляет только 2/3   Сy от  «КЧ1000» (см. рис.15);                       

- при установке интерцепторов сопротивление крыла возрастает в значительно большей степени, чем при установке распределённой шероховатости. Так приращение сопротивления для варианта  «И(a + b + c + d) почти в 1,5 раза больше, чем для равного по эффективности  с ним в части  увеличения подъёмной силы варианта «КЧ600». Ввиду вышеизложенного установка интерцепторов на нагнетающей поверхности крыла для получения дополнительной подъёмной силы нецелесообразна, т.к. при этом существенно ухудшается качество крыла (см. рис. 15).

       5.3.   Влияние изменения характера обтекания крыла, имеющего повышенную шероховатость нижней( нагнетающей) поверхности, на существенное увеличение его критического угла и связанное с этим увеличение вдвое его подъёмной силы.

      На  этапе исследований, изложенных в первой статье [30] был установлен сам факт наличия эффекта, позволяющий увеличить подъёмную силу крыла.  Причём сделано это было  на основании графических зависимостей, представленных лишь до углов атаки 11 градусов.  Этого было достаточно для показа самого факта увеличения подъёмной силы крыла,  да и просто мало места было выделено  для графиков. В тоже время в акте испытаний [39] эти же зависимости были представлены до 14  градусов.

    Тем ни менее в статье [30], на основании экстраполяции этих зависимостей до 13 градусов ( а практически, следовало бы до14), дословно  сделан следующий вывод:

« для крыла с шероховатостью типа КЧ1000  при большем  наивыгоднейшем  угле  атаки(140), чем для гладкого крыла (80), и при том же качестве ( К = 5,9) подъёмная сила за счёт большего угла атаки и влияния  шероховатости возросла  в  2 раза». Однако, на первых порах, ведь «нельзя объять необъятное», не акцентировалось внимание на наиболее целесообразных способах применения эффекта – тогда довольствовались тем, что была  установлена сама суть. А теперь пришло время получить от него всё, что можно.

     Оказалось, что у крыла с  такой шероховатостью происходит  з  а  т я г и в а н и е,  увеличение критического угла, подобно тому, как это обеспечивается с помощью устройств механизации крыла у самолётов, устанавливаемых на нижней поверхности.  А это значит имеется возможность получения с помощью такого  крыла, но установленного с углом близким к новому критическому, значительно большей подъёмной силы. Об этом уже начат был разговор в разделе 5.2..                                                                                                                                               В качестве примера, также как и в статье, но на основании более полных данных , представленных в (39),  остановимся на рассмотрении наиболее результативных испытаний шероховатости  «КЧ –1000» (крупная,  d= 8 мм, высота  4 мм;  частая – 40  бугорков на 1дм2.  На рис. 20  зависимости Сy и  Сy / Сx представлены до углов атаки равных 14  градусам.    Из рассмотрения рис.19   мы видим,  что критический угол нашего крыла с шероховатостью равен 13-14 градусам. Если сравнительную  оценку наибольшей подъёмной силы проводить по величине критического угла, то по кривой Сy мы видим,  что величина подъёмной силы для такого крыла будет около  0,45,  в  то время как  для  крыла с обеими гладкими  поверхностями, она  будет порядка 0,21, т.е. в два раза меньше. И то и другое при К = 5,9. 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.19. Сравнение  величин подъёмной силы и качества крыла, имеющего обе гладкие поверхности и крыла с шероховатостью КЧ1000 нижней (нагнетающей) поверхности в связи с увеличением подъёмной силы для последнего от увеличения критического угла и от воздействия собственно шероховатости. Где: 1. Гладкое;  2. КЧ1000.    КЧ1000) нижней (нагнетающей) его поверхности. Где: 1. – гладкое;  2.  КЧ1000.      

        Конечно, не на всех  крыльях  возможно будет  добиться такого результата. Но оптимальное получение наибольшей подъёмной силы  тут  возможно при совокупном варьировании  профиля крыла, вида шероховатости и её расположения. Это всё покажет время и опыт.                                                                      

     Итак, мы показали, что применение эффекта позволяет увеличить подъёмную силу      крыла в 2 раза.

   6.     Регистрация установленного эффекта во Всесоюзном   Научно – Исследовательском Институте Государственной  Патентной Экспертизы – ВНИИГПЭ.

     Результаты, полученные во время натурных испытаний ПЛ, ранее считавшейся «Кривой», а 27 декабря 1984 года, после очистки от обрастателей верхней поверхности кормового горизонтального оперения, прекрасно державшей требуемую глубину погружения при балансировочных углах КГР  порядка одного градуса, как у только что спущенной на воду новой ПЛ, были выше всех похвал. Самое главное – ПЛ вернулась к решению боевых задач и могла, наконец, заступить на боевое дежурство.

    Однако не менее важным результатом являлось, также то, что была раскрыта трехлетняя тайна военного кораблестроения, да и вообще многолетняя тайна аэрогидродинамики.

     А это значит, что  впредь ни военным, ни гражданским  морякам не будет надобности впустую тратить свою энергию и материальные средства ради решения задач по странному поведенияю их плавсредств от неясной причины.

     Увы! Это не пафосные слова!  Если бы причина была бы установлена еще 3 гола тому назад первой комиссией, то:

- не состоялось бы снятие ПЛ в 1984 г.с боевого дежурства;

- не было бы надобности перегонять перед Новым Годом ПЛ с Камчатки во Владивосток в сухой док для постановки на жесткое основание. Такова была рекомендация первой комиссии, т.к.    им непременно «хотелось» замерить «прогиб» ПЛ, а сам плавучий док, единственный на Камчатке, как и любой другой -  плавучий, сам имел прогиб.

    Сколько всё это стоило государству  …..???

    Здесь не говориться  уже  о том, что была испорчена встреча Нового года для семей моряков с ПЛ, оставшихся на Камчатке, да и для всей питерской комиссии. Пожалуй,  единственным исключением был я. Как опытный командировочный, менявший авиабилеты, и прилетевший в Питер 31 декабря, под Новый Год, с крабами и икрой.

    Ну, а дальше последовало то, что уже описано было выше.

Пришлось познакомиться с перечнем документов, которые представляются при заявке на открытие. Когда были получены результаты продувки модели ПЛ, подтвердивших натурные испытания, не обошлось и без курьёзов, увы свойственных человеческой натуре.

« Жаль, что я Вас не поддержал с самого начала, я бы был вторым» - заявил мне мой начальник. А когда я позвонил стар-

шему  сектора д.т.н., проф. …….в ЦНИИ им.акад.А.Н. Крылова и поинтересовался как там с результатами продувок моделей, то услышал  восторженный отзыв –« О, теперь мы называем это эффектом Воробьёва и ……»,   а далее следовала  фамилия сотрудника ЦНИИ, к.т.н., соседа по каюте, но  не подписавшего моё особое мнение. На мой возмущенный вопрос – «А он то тут при чём!?»  Ответ был: « Ну, Николай  Никитович, Вы затевает такое большое  дело, что я бы хотел быть третьим!»

 Я подал заявку на открытие самостоятельно. Череез месяц был уволен из Института. Сидел я на «посиделках» увольняемых у руководства и вспоминал, что подобное уже  было со мной, когда 20 лет тому назад, сразу после защиты диссертации. Вот также я был определен начальником  Политотдела на увольнение за то, что не записал, будучи секретарем парторганизации,  один из двенадцати протоколов ( был в  госпитале, а мой заместитель собрания не провёл). Спас - случай.

   Итак, в заявке на открытие №1262 «Явление возникновения  силы на крыле от различия в шероховатости его поверхностей», с приоритетом от 10.07.85.,[32], доказывалось существование нового явления – возникновения поперечной силы при обтекании потоком шероховатой поверхности. Однако, в виду того, что я вынужден был для доказательства своего авторства представлять закрытые протоколы с моими особыми мнениями, заявку пришлось подать закрытой, вследствие этого , прохождение её было очень медленным. А после моего «ухода» из Института в 1986 г. и вовсе прекратилось. Кстати к этому времени ВНИИГПЭ вообще прекратил оформление дипломов на открытия и по настоящее время не производит такового от имени Российской Академии Наук. Таким образом у нас принят тот порядок, который существует во всем мире – автором открытия является тот (или те),  ученый , который первый опубликовал об этом явлении, эффекте в солидном научном журнале. 

   Мне не оставалось ничего другого, как пытаться оформить заявку, хотя бы , на способ. Однако, эксперт из ВННИГПЭ долгое время вообще отказывался принять её к рассмотрению, мотивируя это тем, что, вообще то говоря, это не предмет изобретения, а открытие. И только к 1989 году, когда у меня были результаты продувок в ЦНИИ имени акад. А.Н.Крылова конкретного крыла по заявке  № 45674470/40-23 (04889) Воробьёва Н.Н. от 5.04.89. было выдано авторское свидетельство № 161906 от 01.11.90. на «Способ управления подъёмной силой тела с аэродинамическим двояковыпуклым профилем» [29].  В дальнейшем раскрытие  закрытых  материалов по данному эффекту, позволили мне вернуться к попытке представления данного эффекта в качестве открытия. Для этого оставался единственный , общепринятый во всем мире путь, когда автор, или авторы, делали первую публикацию материалов в солидном  научном журнале.  В качестве такого журнала был выбран самый представительный - Доклады Академии Наук СССР.  

  Академика Олега Михайловича Белоцерковского я хотел просить ознакомиться с моей статьей и представить в журнал. Мне была назначена встреча, я пришел, но увидев меня Олег Михайлович замахал руками и заявил, что сегодня он принимать не может в связи с тем, что ночью скоропостижно скончался А.Н. Сахаров. Конечно, я об этом горе, как и вся страна , не знал. Однако, не растерялся и показал ему мой график с новой подъёмной силой (рис.3). «А это откуда?» - он заинтересовался. Решение было быстрым –«Немедленно в Доклады!» Так появилась в томе 318 №1 за 1991 г. на стр. 62-65 в разделе »Механика», УДК 5.32.013.13  Докладов Академии Наук СССР статья  Н.Н. Воробьёва «Эффект  возникновения поперечной силы при обтекании потоком шероховатой поверхности"[30].

  В американском журнале Физики она была опубликована под названием: “ Appearance of  Transverse Force During Flow Along a Rough Surface”. Soviet Physies  Doklady, Vol. 36(5),pp.373-375, Moscow, Russia,1991, published by American Institute of Physies.                                                                                                                                                  

7.        Возможные практические использования эффекта          

7.1.    Учёт эффекта при рассмотрении    ранее непонятного   воздействия внешних сил на крылья, корпуса и и  выступающие части транспортных средств.

     Ранее в разделах 1 и 2 было подробно описано негативное проявление исследуемого эффекта, приводившее к всплытию подводной лодки и необходимости перекладки её кормовых горизонтальных рулей на большие балансировочные углы (8 – 11 градусов) для удержания на заданной глубине погружения.

    Именно этот случай позволил установить существование в аэрогидродинамике данного эффекта.

    Установление факта существования данного эффекта позволило позже по-новому оценить и ряд других случаев. Так во время мореходных испытаний в 1973 году вертолётоносца «Москва» мною было ус тановлено, что для удержания его на прямом курсе требовалась (при слабом ветре и на тихой воде) перекладка руля на 4-5 градусов на левый борт. На мой недоуменный вопрос: «Почему не держите руль в нулевом положении при движении по заданному курсу?» Рулевой  мне ответил, что с некоторых пор он только так, с перекладкой на 5 градусов, на левый борт  и может держать прямой  курс. В акте испытаний мною было предложено, чтобы во время очередного докования произведены были замеры геометрических характеристик корпуса, его выступающих частей и рулевого устройства с целью определения их соответствия чертежам, а также правильной работоспособности рулевого устройства. Это было сделано год спустя. Однако, никаких отклонений от чертежей обнаружено не было. Следует  заметить, что ни разу после спуска на воду, ни после не отмечалась необходимость перекладки на такие большие балансировочные углы для удержания корабля на заданном курсе. Однако в те годы этот случай не нашел своего объяснения.

     В настоящее время это можно объяснить обрастанием левого борта в большей степени, чем правого, например, из-за условий длительной стоянки (а таковая, как выяснилось позже, действительно была), когда более освещенный солнечным светом левый борт обрастал значительно интенсивнее. Это привело к гидродинамической асимметрии обтекания корпуса корабля, представляющего собой крыло очень малого удлинения. Поэтому для компенсации силы, возникающей от указанной асимметрии, требовалась перекладка руля на 4-5 градусов на левый борт.

    Аналогично, одна из рыболовных баз в результате того, что швартовалась при длительной эксплуатации только одним бортом, вынуждена была для удержания на прямом курсе перекладывать руль на другой борт, примерно на 10 градусов.

    По-видимому, швартуясь этим бортом, она в значительной мере содрала с него обрастание, создав тем самым различие в шероховатости поверхностей обеих бортов. Кстати, проведенные в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова продувки модели одного из корпусов судов, на один борт которой была наклеена наждачная бумага, подтвердили, что в этом случае для компенсации действующих сил действительно требуется перекладка руля до 10 градусов.

      Наконец, курьезный случай произошел после длительной стоянки с одним из судов на подводных крыльях. Он не смог выйти на крыльевой режим при исправной крыльевой системе, хотя и развил требуемую для этого скорость, и даже большую.

     Не объяснило тогда причину этого явления и установленное при осмотре крыльев наличие на верхних их поверхностях вязкого осадка целлюлозы, выпавшего из стоков расположенного недалеко от места стоянки судна  целлюлозно-бумажного комбината.

    Только теперь в связи со знанием вышеописанного эффекта стало ясно, что при обтекании крыльев с вязким осадком целлюлозы на верхних поверхностях, создававшим аналог их повышенной шероховатости, возникла направленная вниз нормальная сила, превышающая подъёмную, и, следовательно, и вес всего судна. Кстати это является самым ярким натурным подтверждением того , что используя повышенную шероховатость одной из поверхностей крыла можно получить очень большую по величине дополнительную поперечную силу соизмеримую с той, которая вообще может быть получена  при использовании данного крыла.

    Негативным проявлением эффекта можно считать и факты, на которые обращают внимание  рулевые. Так, если после спуска на воду построенной ПЛ, или после очередного её докования, во время которого производились работы по очистке и покраске корпуса, для обеспечения режима стабилизации ПЛ как по курсу, так и по глубине погружения обычно были необходимы достаточно малые значения балансировочных углов перекладок рулей, то спустя год- два (после возможно неравномерного обрастания корпуса и его выступающих частей) эти балансировочные углы перекладок существенно возрастали.

     Можно привести и другие негативные проявления указанного эффекта и не только в области судостроения.

    Например, влиянием его можно объяснить уменьшение подъёмной силы крыльев самолётов при их обледенении, которое происходит сначала, главным образом, на верхней поверхности, у передней кромки, увеличивая тем самым шероховатость именно верхней поверхности. Это в свою очередь приводит к появлению нормальной силы, направленной противоположно подъёмной силе крыльев. Кстати, уменьшение подъёмной силы при обтекании его двухфазным потоком также можно объяснить проявлением данного эффекта. Возможно, именно это являлось причиной авиакатастроф, когда идущий на посадку авиалайнер неожиданно попадал в полосу ливневого дождевого потока, обрушивающегося первоначально, главным образом, на верхнюю поверхность крыльев, существенно повышая тем самым их шероховатость, да и вообще искажая аэродинамические профили крыльев со стороны верхней поверхности. Это резко уменьшало подъёмную силу крыльев, что приводило к провалу по высоте лайнера, а при малой её величине – и к аварии.

    Особенно важно учитывать эффект при решении проблем идентификации аэрогидродинамических характеристик, в частности, иметь в виду возможность их существенного изменения в процессе эксплуатации из-за возникновения повышенной шероховатости на отдельных поверхностях транспортных средств.

    Учитывать возможные проявления данного эффекта следует не только для транспортных средств, но также в машиностроении, гидрологии, метеорологии и других областях науки и техники и даже в медицине (кроветок), т.е. везде там, где имеет место взаимодействие текучей среды с твёрдым телом, поверхность которого так или иначе характеризуется таким её свойством как шероховатость.    

      Безусловно, в каждом  из этих направлений соответствующим специалистам следует учитывать его при анализе и творчески использовать известные зависимости швейцарского ученого  Даниила Бернулли.  Однако, уже сейчас, с целью заинтриговать их, представляется возможным наметить ряд областей в различных науках по учёту и применению данного эффекта, а также  и по уменьшения его негативного влияния.

     К примеру, в области строительства и эксплуатации инженерных сетей, трубопроводов и в машиностроения:

- повышения давления с опасностью разрыва в тех местах трубопроводов  и полостей с движущейся жидкостью (газом), где вследствие коррозии или по другим причинам существенно повышена шероховатость поверхностей, по которым протекает поток.

   К примеру в области гидрологии,, создания гидротехнических сооружений:

- русла рек в части большего размыва грунта, изменения русла в тех районах, где поток встречает большую шероховатость в виде соответствующих пород земли, нарушения целостности стенок гидротехнических сооружений и становящимися, вследствие этого,  более шероховатыми. И всё это благодаря возрастанию давления потока в этих местах.

     К примеру в области метеорологии:

- благодаря движению воздушных потоков и соприкосновения их с отличающимися между собой по шероховатости районами земной поверхности, таких как водная поверхность, песчаные пустыни , поля, кустарники, леса, города с их небоскрёбами и т.п., давление в этих различных районах земного шара может существенно отличаться и иметь соответствующее  влияние на прогноз погоды, а также на медицинские показатели воздействия атмосферного давления на организм человека.

    Влияние эффекта распространяется также и на физиологию человека, на медицину. Движение крови в сосудах также подчиняется всем вышеописанным законам. Там, где сосуды гладкие – всё хорошо. Там, где внутри имеют повышенную шероховатость из-за развившегося атеросклероза – там повышается в них давление и возможны разрывы. Не будем употреблять тут медицинские термины – это дело врачей. А пока – пейте антилипидный зелёный чай, чтобы не было бляшек в кровеносных сосудах. Здоровья Вам!

       7.2.       Повышение эффективности уже созданных   крыльевых устройств.

    7.2.1.  Изложенные выше результаты исследований эффекта, а также его бионические аспекты, дают основание полагать о целесообразности его использования для увеличения подъёмной силы и эффективности различных крыльевых систем, используя при этом конструкции крыльев и крыльевых устройств в том виде, в котором они сейчас существуют в технике. Однако, для разработки рекомендаций применительно к конкретным крыльям или крыльевым  системам необходимо выполнение дополнительных исследований, включающих:

‑ определение оптимальных (по качеству крыла) соотношений дополнительных величин подъёмной силы и силы сопротивления для крыльев различных профилей (практически используемых, а не имеемых пока -  схематизированных), при варьировании места расположения и вида шероховатости их нижних (нагнетающих) поверхностях;

-  исследование физической сущности эффекта;

- разработку расчётной эксперименитально- компьютерной  методики по оптимальному выбору для данного профиля и требуемой дополнительной подъёмной силы шероховатости (её места расположения и вида);

-  разработку технологии её обеспечения.  Выполнение перечисленного комплекса исследований и натурных испытаний созданных опытных образцов, возможно, позволит решить вопросы внедрения данного эффекта в различные  области техники.

    Обнадеживающие, случайно полученные результаты,  В  частности, по гребным винтам, на примере исследовательского судна «Изумруд» уже имеются.   Кстати , в том же разделе , на основании имеемого экспериментального материала разработаны предварительные рекомендации и относительно других гребных винтов. С учётом результатов вышеприведенных, требуемых для этого исследований, они  смогут дать рекомендацииидлядругихконструкцийгребныхвинтов                                                                  7.2.2.  Данный пример проявления эффекта даёт основания для ведения поисковых исследований по повышению эффективности различных крыльевых систем. К числу таких областей, где в качестве рабочего органа используется крыльевой профиль и где может  найти проявление данный эффект, следует отнести:                                             

  1) Повышение эффективности работы турбомашин, преобразующих потенциальную энергию жидкости (газа) в механическую работу (гидравлические, паровые и газовые турбины), а также перемещающих жидкость или газ и повышающих тем их потенциальную энергию (гребные винты, пропеллеры, турбонасосы, вентиляторы, компрессоры и т.п.).

2)   Повышение эффективности крыльевых систем и несущих аэродинамических поверхностей различных транспортных средств за счёт постоянной или временно обеспечиваемой повышенной шероховатости определённых районов их нижних (нагнетающих) поверхностей:

-  у летательных аппаратов для постоянного  или временного  увеличения подъёмной силы, причём не только у основных крыльев, но и у крыльев, входящих в их систему механизации (предкрылков, закрылков и т. п.).

   - для временного увеличения подъёмной силы, как у космических кораблей многоразового использования типа «Буран» или «Шатл». За счёт повышенной шероховатости нижней поверхности крыльев, вследствие большего обгорания  облицовки во время посадки можно увеличить на 30-50% их  несущую способность при  одновременном уменьшении скорости полёта в режиме посадки;

     -  у судов на подводных крыльях для временного увеличения подъёмной силы (за счёт временно создаваемой шероховатости нижних поверхностей крыльевой системы при выходе на крыльевой режим);

      -  у автомобилей, скоростных, железнодорожных и других транспортных средств для лучшего сцепления с дорогой (рельсами) за счёт большего прижатия передней части транспортного средства от действия повышенной шероховатости отдельных районов их верхней передней части (капот и т.п.). Так, даже при малых углах установки поверхности капота, имеющего повышенную шероховатость передней части, прижимающее усилие возрастет до 1,5 раз.

       -  у буксируемых в воде объектов для уменьшения габаритов заглубляющих или отводящих систем, см. [42].

          -  у парашютных устройств, парапланов и т.п.

          -   у рулевых и стабилизирующих движение  устройств  и       т.д. и т.п.

   Таковы предварительные соображения о возможностях практического использования исследуемого эффекта.

   

   7.3.   Создание новых, высокоэффективных конструкций крыльев и крыльевых систем с большими     критическими углами атаки.

     Удвоить подъёмную силу крыла весьма заманчивая задача для крыла любой конструкции или крыльевой системы. Как её решить? Для этого, по-видимому, потребуется проведение вышеприведенного комплекса исследований при учете,  что для них варьируемыми  параметрами будут также и углы  атаки, близкие к характерным для них большим критическим углам.

     Что касается областей применения, то они всё те же.

    Однако, надо иметь ввиду, что эти работы буду носить более фундаментальный характер, не говоря уже о стоимости таких глобальных работ. Это же преобразование всей технической базы. Действительно – переворот в технике.

   Поэтому в разработке плана таких работ безусловно должен быть использован системный подход, который должен предусматривать:

- выбор приоритетных областей, с которых целесообразно начинать исследования, разработки, создание и внедрение тех или иных образцов техники. К таковым, на мой взгляд, следует прежде всего отнести такие, которые начали создаваться впервые или  только в последнее время. Примером могут служить ветряки энергетических установок – преобразователи энергии ветра в электричество. Здесь два больших преимущества:   1) это сравнительно молодая, но очень перспективная  область техники. Уже очень развитая в Европе, но не нашедшая своего места в России.

   Тоже самое можно сказать и о малогабаритных гидроэлектростанциях для горных рек.

      А также второе – это то, что большой научный вклад в этих областях, благодаря их новизны,  ещё не сформировался ( для сравнения – теория гребного винта), а посему и противодействия будет меньше.

   Наверняка можно будет найти и ряд других подобных направлений.

 -  если будет принято решение в масштабах страны сущест-вено улучшить экономику путем использования данного эффекта в различных областях техники, то тут весьма целесообразно было бы создание единого исследовательского центра, задачей которого были бы исследования, международное  патентование , разработки  технологии их соэдания, а также  внедрение более эффективных крыльев и крыльевых систем в различные отрасли техники и науки. На первых порах этот центр ставил бы себе задачу разработку экспериментально- компьютерной методики расчёта основных элементов таких устройств. А в будущем и их теории.

                     8.  Дальнейшие исследования эффекта

     8.1.  Исследования эффекта в Филиале ЦНИИ им. акад. А.Н. К рылова в  г. Чкаловске в 1987 – 1992 годах.

   Перед данной работой ставилась задача по определению  эффективности использования данного эффекта применительно к крыльям с различными профилями. В связи с трудностями в изготовлении  серии моделей таких крыльев был использован метод схематизированного формирования их профилей. В связи с возможностями аэродинамической трубы в Филиале размеры крыльев были приняты в два раза меньшими, а именно: хорда – 550мм, размах – 500мм, и толщина базового крыла также в два раза меньше.

     По условиям их подвески в аэродинамической трубе на них были установлены концевые шайбы, которые, к сожалению, затруднили возможности сопоставительного  анализа результатов их продувок  с аналогичными результатами в большой аэродинамической трубе  в центральном институте.      Не ставя задачей данного блога представить в нём детальный анализ проведенных исследований в Филиале, следует здесь всё же привести отдельные характеристики исследуемых вариантов, чтобы в дальнейшем можно было бы выбрать необходимые для практического  использования.

     А именно, геометрические характеристики профилей изменялись следующим образом: на плоскую пластину устанавливались профилированные сменные верхние и нижние накладки. В результате получались схематизированные модели крыльев различных профилей , при различных толщинах( см. рис.21 и 22),

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.21. Крыло (с=5,89%; f=0%) с накладками мелкой и частой шероховатости.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Рис.22.  Пластина с крупной и частой шероховатостью.

     В качестве базового с симметричным профилем взят был аналог модели крыла, ранее  исследованной в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. В результате, не акцентируя внимания на характеристиках, представилась возможность  простым комбинированием составных частей крыльев обеспечить выполнение исследований с серией крыльев одинакового размера в плане, но отличающихся характеристиками своих профилей в следующих диапазонах.

         по форме:

                      - двояковыпуклых  симметричных;     

                      - двояковыпуклый  несимметричных;

                      -  плосковыпуклые;

                       - пластина.

           по относительной толщине:

                         2,9%  <  С  <  16,6

      т.е. толстые, средние и тонкие профили, а также пластина.

    Следует, однако, отметить, что недостатком использования таких схематизированных моделей крыльев являлось то, что они отличались от практически используемых профилей как вообще по геометрии, так, особенно, по их геометрическим характеристикам в районах носовых кромок.

       На нижнюю поверхность каждого из крыльев устанавливались по всему размаху (параллельно передней кромки) накладки в виде полос жести толщиной 0,1мм с нанесены ми на них с помощью специальных пробойников ( d=3,7 и 9мм) и пуансонов отверстий, рваные выступающие края которых  создавали шероховатую поверхность и способствовали турбулизации набегающего потока.

    Экспериментальные исследования моделей крыльев с элементами шероховатости были выполнены в аэродинамической трубе АТ-2 на автоматизированных весах ВАТ-2 в свободном потоке. Подавляющее число продувок проводилось при скорости воздушного потока - 40м/с,  (Re=1,53 х 105).

    Скоростной напор измерялся микроманометром ММН-240(5)-10. Измерения сил производились в скоростной системе координат.

    Исследования проводились по программе, в основу которой была положена программа в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. Их анализ должен проводиться совместно. Ввиду того, что практическое их использования целесообразно, главным образом, для сравнительной оценки, при разработке рекомендаций применительно к конкретному9 исследуемому профилю. А такая задача пока не возникала - полный анализ результатов здесь представлен быть не может.

   В случае возникновения такой потребности автор готов познакомить интересующихся со всеми необходимыми для этого материалами этого отчёта [32].

     8.2.    Исследования эффекта  в аэродинамической трубе Мерилендского университета в 1995-1997 годах.

     Будучи  в гостях у своего друга в г. Вашингтоне, по предложению вице-президента ЦАГИ им Н.Е. Жуковского  по международному сотрудничеству, д.т.н., проф. Чернышева С.Л., находившегося в то время в США, я выступил осенью 1995 года с докладом по новому эффекту в лаборатории (аэродинамическая труба) Мерилендского Университета в присутствии известнейшего в США аэродинамика, по учебникам которого учиться каждый второй специалист в этой области, профессора Джона Д. Андерсона.  Моё сообщение вызвало большой интерес и проведение в дальнейшем членом АИАА Марком  Бэйерли под руководством проф. Джона Д. Андерсона исследований эффекта в аэродинамической трубе. На основании этих продувок им была защищена в 1997 году  докторская диссертация.

    На основании этих исследований в том же году Американским Институтом Воздухоплавания и Астронавтики (АИАА), по инициативе профессора Джона Д. Андерсона, была опубликована статья [33], перевод которой предлагается Вашему вниманию в приложении.

      Осенью 1997 года  меня пригласили  в Мерилендский Университет на обсуждение результатов этих  исследований, изложенных в данной статье.  Профессором Джоном Д. Андерсоном было доложено о  действительном подтверждении ими ранее неизвестного в аэродинамике  необыкновенного явления, как они назвали, -  феномена, т.е.  появлению поперечной силы, направленной в сторону обтекаемой потоком шероховатой поверхности. Однако при выполнении этих исследований, им  было непонятно -  каким образом  можно обеспечить  элементы (бугорки) шероховатости с  рванными верхними кромками, аналогичные тем, которые  были у естественных обрастателей – балянусов (в виде острых зубцов). Они столкнулись с той же задачей, с которой столкнулся и я, поначалу, когда, казалось, не было иного выхода, как кропотливо наклеивать каждый специально изготовленный с острыми верхними кромками бугорок в определенные места поверхности крыла. Т.к. всю работу по обеспечению выделенного мне крыла соответствующими видами шероховатости я вынужден был  проводить собственноручно ( никаких средств на это выделено не было), то выполнить такую кропотливую работу я не мог, ибо лень родилась значительно  раньше меня и на такой подвиг я пойти ни как не мог. Но недаром говорят – лень двигатель прогресса. Если бы её не было – не было бы и изобретателей. И я придумал – делать тёрку, пробивая фольгу, тем более, что здесь автоматически решался вопрос и с обеспечением будущих элементов шероховатости острыми наружными кромками (совсем как у балянусов),  турбулизирующими поток. Оставалось только закрепить полоски фольги  на крыле. Увы! Мои американские коллеги столкнулись с тем же самым. Не придумав каким образом придать элементам шероховатости острые верхние кромки для турбулизации потока, они выполнили  бугорки шероховатости  в виде цилиндрических пластмассовых бусинок и прикрепили их непосредственно к поверхности крыла из стекловолокна путем горячего приклеивания с помощью пистолета.  Восторг и удивление вызвало у них то, когда я наглядно рассказал им как это делал я. И, несмотря на мой  «английский», Марк  Бейерли  схватил лист бумаги, проткнул его карандашом, и, показывая на рваные кромки отверстий, воскликнул «Ну, это чисто русский путь!». Пришлось подробно им рассказать - как я  аналогично  поступил с тонкой латунью, пробивая отверстия пробойником, добиваясь турбулизирующих пограничный слой рванных острых верхних кромок элементов шероховатости.   Они были поражены и пообещали, что в последующих исследованиях этого эффекта, они обязательно воспользуются таким способом создания элементов шероховатости, который обеспечит турбулизацию  набегающего потока, а также, и это самое главное, обеспечат более  высокое качество для  крыльев с шероховатостями. А пока они смогли только повторить мои результаты, полученные  в результате продувок крыла с  закрепленными с помощью клея на всей  его нагнетающей  поверхности пластмассовыми шариками диаметром 4мм., см. кривую 4 на рис. 14 и 15.  Естественно ни о каком улучшении качества такого крыла здесь не могло быть и речи, т.к. их бугорки, также как и мои шарики, не оказывали турбулизирующего воздействия на набегающий поток. Поэтому, качество их крыльев с повышенной шероховатостью нижних поверхностей  было, естественно, хуже, чем у  аналогичного  крыла, но с обеими гладкими поверхностями.

    В будущей работе по исследованию данного эффекта они собирались обеспечить необходимую идентификацию геометрической формы элементов шероховатости с целью одновременного получения увеличения, как подъёмной силы, так и качества крыла. Также намеревались собрать необходимый экспериментальный материал для разработке на его основе экспериментально - компьютерной методики для расчёта азрогидродинамических характеристик крыльев с повышенной шероховатостью нижней (нагнетающей) поверхност и.   К сожалению, к настоящему времени, её результатов я не знаю.

     8.3.   Патентный поиск и разработка материалов для   трёх патентов.

     В своё время поиск аналогов эффекта, проведенный в процессе подачи и обсуждений в ВНИИГПЕ заявок на открытие и способ, позволил получить достаточно веские подтверждения новизны как самого эффекта, так и возможно создаваемых на его основе устройств. К сожалению, этот поиск, по-видимому, был недостаточен в части иностранных источников, ввиду их практического отсутствия в нашем Патентном Бюро. Этот недостаток представилась возможность исправить.  По случайности мне посчастливилось познакомиться в Вашингтоне с ленинградцем, который последние 20 лет работал патентоведом в Патентном Бюро США, и он любезно провёл патентный поиск для меня, в основном в области аэродинамики и авиации,  начиная с 1905 года. Около 30 наиболее интересных американскихи международных  патентов были мною скопированы, переведены и проанализированы.   Отдельные авторы устройств, в основном конструкторы первых воздухоплавательных аппаратов, в какой-то мере интуитивно,  были даже близки к возможным техническим решениям, основанным на новом эффекте.     Однако невозможность в то время проведения требуемых для этого научных исследований, а самое главное,  отсутствие аэродинамических труб и пр. не позволило им продвинуться дальше, поэтому и предложенные ими устройства не могут быть  противопоставлены данному эффекту, а посему и не  смогли повлиять на его новизну.                                                                        

    Кроме того, я сделал ксерокопию (более 1000 листов) уникальной книги [47] патентного адвоката Давида Прессмана  “Patent it yourself” (патентуй сам, т.е. без помощи адвоката). Ознакомление с ней, а также с современной формой американских патентов, позволило мне разработать все необходимые материалы на русском языке для трёх наиболее значимых  патентов по использованию эффекта, составленные так, как составляются американские патенты.

    Из всего многообразия возможных тем для патентов на устройства, где может быть применен новый эффект, я выбрал, для начала, три, в наибольшей степени перекрывавших остальные, и относящихся к наиболее перспективным областям современной техники. Среди них, это, прежде всего - область турбиностроения, т.е. создания рабочих элементов турбомашин, как преобразующих потенциальную энергию жидкости (газа) в механическую работу, так и перемещающих жидкость или газ с целью повышения их потенциальной энергии,  а также самолётостроение и автомобилестроение. Последняя область выбрана, пожалуй, не так из-за насущной необходимости, а как дань авто - увлечению американцев. К сожалению, сущность предлагаемых устройств была уже в какой-то мере раскрыта в ранее опубликованных  моих статьях. Недопустимость этого (если прошло более года со времени опубликования до подачи заявки на патент) я узнал из обсуждения с американскими патентоведами. Поэтому самая главная и сложная задача, которая была поставлена передо мною сложившимися обстоятельствами, представить такие материалы для возможных патентов, чтобы не повторялось бы них то, что уже было отмечено в ранее опубликованных статьях, и  чтобы без того нового, что в этих материалах дополнялось, невозможно было бы создать эффективные новые устройства.

Эта задача была мною решена, причём таким образом, что большая  эффективность предлагаемых устройств и наиболее целесообразная их конструкция были обеспечены, главным образом, за счёт вновь предложенных нововведений.

    Согласно требованиям к американским патентам каждый из трёх возможных патентов включает следующие разделы:

1.   Abstract – резюме;

2.   Background of the Invention – предистория изобретения;

2.1. Field of the Invention -  область изобретения;

2.2. Description of the Prior Art – описание предшествующих исследований и патентов;

3.   Disclosure and summary of the invention – суть и описание изобретения;

4.  What is claimed is – что патентуется, отстаивается;

5.   Рисунки, описания.

    Каждый из возможных патентов выполнен на 25-30 печатных страницах, где: разделы 1 и 2.1. – одна стр., раздел 2.2. -  13-15 стр., раздел 3 – 7-10 стр., раздел 4 – 4-5 стр., раздел 5 – 2-4стр.

    Таким образом, у меня, в настоящее время, имеются перечисленные материалы по трём наиболее « зернистым» патентам, основанных на новом эффекте. Для подачи их в США потребовалось бы нанять адвоката - переводчика по патентным делам с тем, чтобы он в соответствующих, выигрышных выражениях, с использованием специальных англо- - американских  оборотов, представил  и оформил бы эти материалы в виде заявки. Для этого требовалась бы оплата его услуг, оплаты самой заявки, да и дальнейшего сопровождения её с целью обеспечения реализации.

    Таких материальных средств у меня естественно не было, а спонсор, который брался за это дело, в самый последний момент моего пребывания в Вашингтоне серьезно заболел.

    Однако материалы заявок не потеряли к данному моменту своей актуальности и могут быть использованы для создания   заявок на  международные патенты.

       При возможности у кого-либо материальных возможностей их международного патентования, автор предлагает участие в вопросах их предварительного рассмотрения и окончательного оформления в виде предлагаемых или подобных им патентов. Кроме  того автор  предлагает заинтересованному в международном патентовании адвокату имеемую у него уникальную копию книги Давида  Прессмана.              

                                             

9.    З А К Л Ю Ч Е Н И Е

     9.1.  В результате натурных испытаний современной атомной одновальной подводной лодки был установлен новый эффект в аэрогидродинамике – возникновение дополнительной, ранее неизвестной поперечной силы на обтекаемом потоком жидкости крыле от различия в шероховатости его поверхностей. 

    Новый эффект представилась возможность установить благодаря браку в работе при покраске корпуса и  выступающих частей ПЛ, а также случайному, при этом, сочетанию обстоятельств её эксплуатации.

    Эффект обусловлен различием во взаимодействии с потоком гладкой и шероховатой поверхностей и аналогичен в этом смысле эффекту Магнуса, при котором поперечная сила возникает вследствие различия во взаимодействии с потоком движущихся в направлении потока и против него противоположных поверхностей тела. При этом, как и в эффекте  Магнуса, поперечная сила действует нормально к той поверхности, которая в итоге обтекается потоком с меньшей скоростью. А именно,   в данном эффекте поперечная сила действует в сторону  поверхности с повышенной шероховатостью, т.к. эта шероховатость  обеспечивает подтормаживание потока.  По аналогии, при эффекте Магнуса, в  сторону поверхности, движущейся против набегающего потока, т.е. когда сложение векторов скоростей приводит к уменьшению скорости обтекания этой поверхности.

    Впервые было установлено, что чем больше шероховатость поверхности (до определённых пределов), то тем большая поперечная, нормальная и направленная в сторону шероховатой поверхности сила действует на тело.

    Эффект установлен в результате натурных испытаний ПЛ, подтвержден как отечественными лабораторными испытаниями, (продувками в большой аэродинамической а ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова и  аэродинамической трубе его Филиала в г. Чкаловске), так и продувками в высокоскоростной аэродинамической трубе Мерилендского Университета (США).

    Установленный эффект (явление) расширяет и дополняет ранее известные представления о взаимодействии любой текучей среды  с любым твёрдым телом, поверхности которого характеризуются таким свойством как шероховатость.

     Применять для него известные теоретические зависимости просто невозможно, т.к. последние никоим образом не могут учитывать воздействие элементов шероховатости, их огромное различие между собой по размерам, плотности нанесения и расположению. Не говоря  уже о их свойствах в качестве турбулизатора потока, необходимых для достижения довольно высоких качеств вновь создаваемых крыльев. Ведь перед теоретическими зависимостями стоит задачи на основании  вышеперечисленных характеристик получить величину подъёмной силы крыла, имеющего те или иные характеристики.   Поэтому необходимы новые теоретические разработки, а на первых порах создание экспериментально – компьютерных  методик расчёта.

    Анализ результатов выполненных исследований по литературным источникам и патентный поиск, проведенный в России и в США подтверждают новизну данного эффекта.

    Результаты натурных, лабораторных и бионических  исследований позволяют утверждать, что эффект проявляется в широком диапазоне чисел Рейнольдса, а именно от 1х10 до 6,3х103.

    При этом он проявляется также при достаточно большом диапазоне изменения величин характеристик шероховатости. Так по результатам проведенных исследований было установлено, что относительная величина шероховатости:

                                   Шотн. =  Sш Рш/ S кр

Где:  Sш – площадь проекции отдельного бугорка (элемента) шероховатости на плоскость, перпендикулярную хорде профиля крыла (м ); Рш – количество бугорков (элементов) шероховатости на единицу площади поверхности;  Sкр – площадь нижней (нагнетающей) поверхности крыла (м2)   может быть  в пределах:                                     5                                  0,005 <    Шотн..  >    0,5

    Экспериментально установленный эффект подтверждает известные представления проф. Н.Е. Жуковского о вязкостной природе подъёмной силы. .  Возникающая в реальном обтекаемом потоке сила Жуковского прямо - пропорциональна удвоенной сумме напряжений вихрей, действующих в пограничных слоях крыла. Можно предполагать, что при обтекании реальным потоком элементов шероховатости, вследствие интерференции, зоны повышенного давления превалируют над зонами пониженного, повышая в целом давление на шероховатую поверхность.

9.2.   В природе широко используется повышенная шероховатость нижних поверхностей крыльев, и других несущих поверхностей, для увеличения их подъёмной силы.    Аэродинамика позаимствовала у природы:

- закругленную переднюю кромку крыльев птиц для разработки профилей НЕЖ и последующих модификаций профилей  ( NАСА, ЦАГИ и т.п.);

- округлые очертания крыльев в плане;

- роль размаха крыла;

- щелевое строение крыльев птиц – для  механизации крыла.

      Аэродинамика и в настоящее  время продолжает заимствовать. Так при создании самого большого аэробуса А – 380 размах крыльев превышал размеры допустимые при использовании существующих аэродромов. И здесь также пришлось позаимсвовать у природы при создании концевых шайб,  которые решили эту проблему.

     И  теперь, благодаря данному эффекту шероховатость нижних поверхностей крыльев также следует рассматривать как средство увеличения подъёмной силы крыла, позаимствованное у природы.

     Следует  отметить, что техническое, бионическое воплощение такой шероховатости, обеспечивающей  турбулизацию набегающего потока, значительно проще всех тех технических решений, которые пытались реализовать за последние десятилетия специалисты по бионическим и гидробионическим исследованиям.

     К примеру, в гидробионике пытались создать демпфирующие, т.н. «крамеровские» покрытия для торпед и пл на основе изучения демпфирующих свойств кожного покрова дельфинов. Не удалось – в итоге был создан лишь узкополостный демпфер, эффективный лишь при небольшом диапазоне скоростей. Пытались воссоздать механизм получения гелеобразной слизи рыб путем смешивания жидких её компонентов – тоже для уменьшения сопротивления и улучшения тем самым скоростных качеств подводных технических объектов. Также не получилось. А какие масштабные работы проводились в этом направлении!

   Здесь же всё значительно проще и уже имеются практические решения реализации данного эффекта.

  9.3.    В результате выполненных в аэродинамических трубах ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, его филиала в г. Чкаловске и Мерилендского Университета продувок крыльев с различными профилями исследовано влияние повышенной шероховатости на их нижних (нагнетающих) поверхностях на величины дополнительной подъёмной силы и сопротивления при варьировании:

- вида равномерно распределённой шероховатости (форма и размеры бугорков шероховатости);

- плотности их размещения;

- районов расположения участков с повышенной шероховатостью.

    Продувки в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова производились для углов атаки от 0 до 14 градусов, при скоростях набегающего потока от 15м/с до 40м/с, а в  Мерилендском Университете при углах от –4 до 30 градусов при максимальной скорости потока 107,3м/с.

    Анализ результатов продувок крыльев показал, что влияние повышенной шероховатости нижней (нагнетающей) поверхности на дополнительную подъёмную силу зависит от:

9.3.1.   Вязкости жидкости, обтекающей крыло.

     Так для получения одной и той же относительной дополнительной подъёмной силы при обтекании подобных крыльев водным и воздушным потоком для воды требовалась меньшая относительная шероховатость нижней (нагнетающей) поверхности крыла, чем для воздуха.

9.3.2.  Месторасположения районов нижней (нагнетающей) поверхности крыла с повышенной шероховатостью. Было установлено, что наиболее целесообразно для описанных выше целей обеспечивать повышенную шероховатость  в районе передней кромки (начиная, примерно, с 0,1 длины хорды) крыла и у его задней кромки.

9.3.3.  Геометрических размеров и плотности размещения бугорков (элементов)  шероховатости.

    Было показано, что плотность размещения бугорков (элементов) шероховатости, их форма, геометрические размеры и, особенно, турбулизирующие поток свойства, связанные с наличием верхних острых кромок, оказывают существенное влияние на получение дополнительной подъемной силы и практически обеспечивают таким образом повышение качества  этих крыльев.

9.3.4.  Профилей крыльев и их  углов атаки по отношению к набегающему   потоку.

   Более подробные и все возможные конкретные результаты анализа представлены были ранее в соответствующих разделах.

9.4.   Практическое применение данного эффекта должно исходить из того, что наличие повышенной шероховатости на одной из поверхностей крыла приводит к совершенно новому взаимодействию между твёрдым телом и любой текучей средой (проявлению, можно сказать «неэвклидовой аэрогидродинамики»), т.е. взаимодействию  ранее неизвестному и пока не прогнозируемому, а также недоступному для анализа и расчёта с помощью известных методик. В этом отношении интересна физика т.н. «затягивания - увеличения» критического угла у крыльев с шероховатыми нижними (нагнетающими) поверхностями, что и обеспечивает удвоение их подъёмной силы при их применении. Именно это и обеспечивает новый вид взаимодействия шероховатой поверхности твёрдого тела и текучей среды. Раскрывает новые возможности по созданию более эффективных (меньших размеров, более компактных) крыльевых рабочих органов  и целых крыльевых систем различных машин и устройств.     Поэтому эффективность практического его применения зависит от творческого подхода к конструкции рабочих органов машин или отдельных крыльевых систем, а также технологии создания требуемой для этого шероховатости.

     О  практическом  применении данного эффекта подробно изложено в разделе  7. 

9.5.  Аэрогидродинамики должны знать о существовании эффекта, он должен войти в курсы аэрогидродинамики соответствующих высших учебных заведений;

9.6.  Аэрогидродинамики должны использовать этот эффект в своих научных изысканиях и в практической деятельности.

 

    10.  В чём мне нужна помощь в патентовании и  при дальнейших иследованиях нового эффекта, его внедрении?   Чём могу я помочь?

    В настоящее время я лишен возможности проводить какие-либо дополнительные исследования  нового эффекта, необходимые как для выяснения его физической сути, так и для создания экспериментально компьютерной методики расчёта, а также для проведения аэродинамических продувок  конкретных крыльев применительно к тому или иному изобретению. Кроме того, у меня нет необходимых материальных средств для оформления и подачи уже подготовленных трёх  изобретений, о которых говорилось ранее.

    Однако я глубоко уверен в срочной необходимости проведения именно в России всех  вышеупомянутых работ, чтобы успеть получить российские и международные патенты на способы и устройства  с использованием данного эффекта в ведущих областях техники в мире. К сведению, спустя три года после опубликования моей статьи в 1991 году по эффекту в докладах АН СССР, будучи  в библиотеке Конгресса США я просматривал соответствующие книги «рейтинга ученых» по количеству сделанных на их работы ссылок. Кроме своего доклада, каких либо ссылок на него я  не  нашел. Возможно и не успели издать в этих книгах. Однако, спустя шесть лет были проведены исследования  эффекта  в Мерилендском университете.  Публикация о них была  в 1997 году в  престижном журнале “American Institute of Aeronautics and Аstronautics”. Возможно, она могла попасть в эти книги, хотя уже в 1991 году шли в библиотеке разговоры о том, что издание их из-за дороговизны будет прекращено. Поэтому  надо искать в других источниках.

     Естественно, организация, которая ознакомиться со всеми материалами по данному эффекту, захочет более подробно с ним познакомиться, а возможно, и провести его экспериментальные проверки. Во всем этом я готов участвовать. И чем больше у меня будет единомышленников – тем лучше для  дела. Однако, уже имеемых материалов сейчас достаточно, чтобы, не теряя времени, одновременно, начать заниматься подготовкой к патентованию уже имеемых у  меня материалов по трём изобретениям.

  Именно в этом, я полагаю, мне нужна сейчас срочная помощь спонсора. А что касается возможных дальнейших совместных  со спонсирующей организацией действий, то об этом частично уже  говорилось выше и они вполне возможны.

10.1.  Итак, первейшая помощь мне, необходимая чтобы ускорить патентование – это помощь в российском и международном  патентовании подготовленных мною и соавторами (кто внесет свою лепту) трех  изобретений. Это то, что мне сейчас необход мо. А именно:                                                                                                   

10.1.1.  Консультации с патентоведами относительно формы представления в настоящее время материалов для российских и международных  патентов (с учётом последних изменений), чтобы я смог их совместно с ними переработать из имеемой у меня американской формы. Необходимы также будут формы представления материалов для международных патентов (для 8 стран).  Для этой переработки также,  потребуется помощь. В, частности, в этой работе мне потребуется помощь специалистов в соответствующих областях, а  также патентоведа, который и возглавит все работы по оформлению патентов и их дальнейшему поддержанию.

10.1.2.  Оформление российских и иностранных патентов должно предусматривать соответствующее проведение патентного поиска по требуемым  странам и т.п.

10.1.3.  Возможно, если появиться необходимость, в том числе и по требованию Патентного бюро – выполнение необходимых продувок в аэродинамической трубе для крыльев, используемых в том или ином изобретении.

10.1.4.  Оформление графических работ в соответствии с требованиями, как к российским, так и международным патентам для трёх изобретений.

10.1.5.  Материальное обеспечение перечисленных работ и работ, которые могут возникнуть в процессе сопровождения  патентов при их оформлении, а также необходимого комплекса мероприятий по обеспечению их  внедрения, либо за счёт спонсора (при долевом его участии в прибыли от внедрения) в виде физического лица, либо в виде юридического лица, если это организация, на тех же условиях.

    Помимо предлагаемых трех изобретений, на базе использования эффекта, возможна подача неограниченного числа других изобретений. У автора за эти годы появилась уйма идеей относительно будущих изобретений. Естественно, их количество будет значительно увеличено при совместной работе с соавторами.  В этом случае желательно, чтобы будущий соавтор был специалистом в определённой области техники и смог разработать и  сформулировать отличительные признаки  заявляемого способа или устройства, а также был участником всех этапов  патентования.

10.2.    В связи с тем, что возможное использование данного эффекта весьма разнообразно, целесообразно, для экономии средств,  сразу определить головную организацию по его исследованию и внедрению со следующими функциям:

10.2.1.  Исследования с использованием макромоделей физической сущности данного эффекта;

10.2.2.  Определения возможности создания на базе теории вязкого пограничного слоя  и возросших возможностей компьютеров теоретических основ расчетной методики определения оптимальных (с точки зрения увеличения подъёмной силы крыла и его качества) соотношений между характеристиками крыла, обтекающего его потока, а также вида и места расположения шероховатости.

10.2.3.  Продувок в аэродинамической трубе в широком диапазоне чисел Рейнольдса крыльев с различными профилями при широком варьировании вида и места расположения шероховатости с целью получения исходного материала  для создания в будущем экспериментально компьютерной методики расчёта. Последняя должна позволять сделать оптимальный выбор применительно к  решению конкретной технической задачи:  характеристик крыла и условий его обтекания потоком, а также оптимальной, с точки зрения качества крыла, комбинации вида  и места  расположения шероховатости. Здесь возможна на определённых этапах специализация таких методик. Например, для расчёта гребных винтов – одна методика, для расчета турбинных лопаток тех же турбинных лопаток паровых турбин – другая, а для расчёта лопаток гидравлических турбин гидроэлектростанций – третья, для расчёта крыльев самолётов – четвёртая  и т.п.

10.2.4.  Проведения сравнительных продувок и протяжек в канале с водой одних и тех же крыльев с одинаковой шероховатостью с целью определения  роли и влияния вязкости жидкости на эффективность использования данного эффекта.

10.2.5.  Проведения глобального анализа возможных областей применения данного эффекта. Разработки технических решений по его использованию в этих областях либо с привлечением только своих специалистов, либо и  с привлечением также отдельных специалистов из других организаций. Выполнения, в случае необходимости продувок конкретных крыльев в  аэродинамической трубе, если разработанные расчётные методики не позволяют решить задачу оптимизации «всухую». Наконец,  патентования всех этих разработанных устройств и способов с возможным привлечением специалистов других организаций, заинтересованных в скорейшем внедрении этих совместных разработок.

10.2.6.  Проведения маркетинговых исследований областей возможного,  наиболее эффективного внедрения полученных патентов, как в России, так и за рубежом.!

10.2.7.  Организация рекламы о повышенной эффективности технических разработок, где используется данный эффект.

 10.3.  Мне необходима помощь в получении информации о том -  какие исследования и внедрения  велись за последние  29 лет и ведутся в настоящее время в различных странах мира.  Необходимы конкретные отчёты соответствующих институтов и организаций в этих странах. Какими конкретными учёными ведется эта работа, статьи в журналах с их публикациями, контакты с ними. Всё это при широком использовании Интернета. А для этого  необходимы специалисты высокого класса, которые в будущем будут становиться основными специалистами по этим контактам.

10.4.  Во всех этих работах я мог бы выступать в качестве консультанта, исследователя и соавтора патентов.

10.5.  В дипломе на открытие положено представлять формулу открытия. В связи с тем, что Российская Академия Наук прекратила выдавать дипломы на открытия, а дипломов всяких других академий мне не надо, хотя они обильно выдаются, считаю возможным представить здесь вышеупомянутую  формулу.

 

     В результате натурных и лабораторных исследований установлено  новое явление – при обтекании потоком шероховатой поверхности возникает поперечная сила, требующая для определения  новой теории взаимодействия любой текучей среды с различной шероховатой поверхностью; в частности, при обтекании крыла с гладкой верхней поверхностью и нижней (нагнетающей) шероховатой за счёт элементов шероховатости с острыми кромками  для турбулизации потока, она  обеспечивает создание значительной дополнительной подъёмной силы, как  от самой шероховатости, так и вследствие существенного увеличения при этом критического угла крыла, что, при установке крыла с таким углом, позволяет добиваться, с учётом профиля крыла,  удвоения его подъёмной силы.

 

  Теперь,  самое,  самое  Важное ! ! !

Главные цели , ради которых я создал этот блог:

1.   Чтобы этот эффект был внедрен  в технику мира.

2.   Для этого я обращаюсь ко всем с просьбой – информировать меня об  этом.

3.   Нужна срочная помощь в переводе краткого содержания блога на английский язык. Краткое содержание, его возможные варианты будут, по договоренности, представлены мною. Но надо торопиться!

4.   Повторяюсь, но это чрезвычайно важно – нужно знать, что делается в мире и что к настоящему времени сделано. ( см. п. 10.3.).

4.   Я  очень нуждаюсь в помощниках. У меня их нет. Тот, кто переведет блог  - займет ключевую позицию в общении по всем вопросам с миром. Мне нужен также помощник для анализа отчёта, выполненного в г. Чкаловске. Это особенно важно, если нужно будет позаимствовать из него информацию  в части крыльев с различными профилями. Полноценного анализа его не было. Надо готовить своего специалиста - адвоката, который успешно освоит создание международных патентов по данной тематике.

5.  Я могу быть полезен также тем, что предлагаю по договоренности труд американского адвоката Прессмана -  «Патентуй самостоятельно» ( более 1000 стр.). Уверен, что ничего нового там в этом смысле не появилось. Единственное – жив ли он?, т.к. адвокаты США были очень возмущены его поступком.

    Также у меня около 50 патентов различных летательных аппаратов, начиная с 1905 года.  Очень любопытные.

    Кого – то может заинтересует – чего это  я так долго молчал и не интересовался своим эффектом. Да…., в начале 90-х я весь горел и повсюду делал доклады.

    Я смеялся - _»Успех у меня был как у Аллы Пугачёвой, вот только денег не платили. Она пела под фанеру и…ей платили, а я будто сделал очень важное для всех дело  и…ничего". А все гидро и аэродинамики благостно пели – это переворот и т.д. и т.п. Понял, что я стране не нужен. Осенью 1993г. прилетел в Вашингтон к однокашнику. Начал учить английский, писать резюме (>200) во всякие «Боинги-Моинги». Восторгались, присылали хвалебные отзывы, но работать не брали – я был по бизнес-визе (да и возраст, наверное). Грин – карту по лотерее я получил сразу ( у них там двойная бухгалтерия). В общем, суммарно, я был там около трёх лет, но не подряд, а  прилетал по осени на несколько месяцев (у меня там появилась кое-какая работа для заработка, ведь это былп тяжелые 90-е). Ну! А 2-ое тысячелетие только в России, дважды обращался к В.В. Путину. Матвиенко направила мои труды в Университет Космоприборостроения. Они заинтересовались, изъявили согласие участвовать во всех работах. Дело за малым – нет денег1 Ищем спонсора!!. Вот такая «обнадеживающая» обстановка!!!

Что касается меня, то я «патологический оптимист»  - и надеюсь!       

                                 Желаю успеха!

             Капитан 1 ранга в/о, к.т.н.  -     Воробьёв Николай Никитович

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Шестакова Г.С. Структура поверхности крыла и её значение для аэродинамики птиц. Труды Института морфологии животных АН СССР, вып. 9. 1953г.

2. Шестакова Г.С. К вопросу о механике полёта птиц. Зоология животных. Т. 35, вып. 7, 1956г.

3. Бородулина Т.Л. Приспособления в оперении птиц к обтеканию воздушными потоками. АН СССР, Научный совет  по комплексной проблеме «Кибернетика», «Бионика», Изд. «Наука», 1956г

4. Бородулина Г.С., Благосклонов К.Н. Структура поверхности птичьего крыла и её возможное отношение к подъёмной силе. Сб. «Механизмы полёта и ориентации птиц». М., изд. «Наука»,  1966г

5. .Кокшайский Н.В. О числах Рейнольдса в полёте птиц. Сб. «Механизмы полёта и ориентации птиц». М. Изд. «Наука», 1966г.

6. Кокшайский Н.В. Очерк биологической аэро- и гидродинамики (полёт и плавание  животных) Изд. «Наука», М.,1974г.

7. Якоби В.Э. Птицы как объект бионических исследований. Сб. «Функциональная морфология птиц». Изд. «Наука». М.. 1964г.

8. Якоби В.Э. Механизация и автоматика крыла птиц. Сб.”Механизмы полёта и ориентации птиц”. Изд. “Наука”, М. 1966г.

9. Виноградов Н.Н. Аэродинамика птиц-парителей. Изд.ДОСАРМ. М. 1951г

10. Швец А.И. и др. Аэродинамика полёта насекомых. М.,изд. МГУ, 1979г., Отчёт Института механики №1929

11.  Бродский А.К.  О роли гофрированных крыльев насекомых. Журнал“Эволюция биохимии и физиологии”. 1970г.,6, №4.

12. Бродский А.К. , Воробьёв Н.Н. Планирование бабочек и роль чешуйчатого покрова крыльев в их полёте. Энтомологическое обозрение, LXIX, 2, 1990, стр.241-255.                                                   A.A. Brodskiy and N.N.Vorobiev “The Glinding Flight of Butterflies and the Role of Wing Scale Cover in Their Flight” Entomology Review, Vol. 69, issue 2, pp.241-256, Leningrad, Russia, 1991.

13. Жуковский Н.Е. «О парении птиц». Труды отделения физических наук общества любителей естествознания. Том IV, вып. 2, 1892г.

14.  Жуковский Н.Е. Собрание сочинений, том VI. Теоретические основы воздухоплавания. Гос. изд. техн. теор. м-л, 1950г.

15. Жуковский Н.Е. « О присоединенных вихрях» 1906г. Собр. Соч. т. I-VII, ОНТИ, 1937г.

16. Чаплыгин С.А. «О давлении плоско-паралельного потока на преграждающие тела». 1910. Избранные труды по теории крыла. ГИТТЛ 1949г.

17. Чаплыгин С.А. «Результаты теоретических исследований о движении аэропланов», 1911. Бюллетень №3 московского общества воздухоплавания.

18. Чаплыгин С.А. «Схематическая теория разрезанного крыла», 1922г., Собрание сочинений, т.II.       

19.  Schrenk. Luftfahrtforschung, 2 (1928), s.1-32.

20. The Cambridge University Beronauties Laboratory, A.R.C. Reports and Memoranda # 1688 (1936).

21.Hooker, The Aerodynamic  Characteristies Airfooils as affected by Surface Roughness N.A.C.A. Technical Note? #457 (1933).

22.  Iacobs   N. A.C.A. Reports, #446 (1933),#449 (1933).

23. Dearborh, N.A.C.A. Technical Note, #461 (1933), The Effect of Rivet Heads on the characteristies of a 6 by 36 Foot Clark by Metal Airfoil

24. Iones and Williams, A.R.C. Reports and Memoranda, #1708 (1936).

25. Ray H. Hocker, Technical Note, #457 (1933). “ The aerodynamic chacteristics of airfoils as affected by surface roughness”

26. Гольдштейн С. «Современное состояние аэродинамики вязкой жидкости» М., изд. Пл., 1948, стр. 148-153. Г.

27. Шлихтинг « Теория пограничного слоя», М., «Наука», 1969г.

28. Большая советская энциклопедия, том 15, Москва, изд. «Сов. энцикопедия», 1974г. изд-е 3.

29.  Воробьёв Н.Н. АС №161906 по заявке на способ №467447/40-23      (48889) то 05.04.89. «Способ управления подъёмной силой тела с аэродинамическим двояковыпуклым профилем».

30. Воробьёв Н.Н. «Эффект возникновения поперечной силы при обтекании потоком шероховатой поверхности». Доклады АН СССР, 1991г., Том 318, №1, с.62-65.                                                               N.N.Vorobiev “Appearance of Traамических nsverse Force During Flow Along a Rough Surface”. Soviet Physies Doklady, Vol. 36(5),pp.373-375. Moscow, Russia, 1991, published by the American Institute of Physies

31. Технический отчёт Горьковского филиала ЦНИИ  им. акад. А.Н. Крылова «Экспериментальное исследование продольных позиционных  аэродинамических серии прямоугольных крыльев различных тлщин с элементами шероховатости на нижней поверхности». По договору  №339-91/А – 292. 1992 год.

32. Воробьёв Н.Н. Заявка № 1262 на открытие «Явление возникновения силы на крыле от различия в шероховатости его поверхностей». Приоритет  от19.07.85.

33.  Robert Ranzenbach, Manager of  Glenn L, Martin Wind Tunnel, Fellow of AIAA.  Mark Beierle,  John D. Anderson Jr., Professor, Fellow of AIAA, University of Maryland, College Park.

«Roughness Related Liftenhangencement Tu Symmetric Airfols»,  USA, 16.11.1997. Published by the  American  Institute of Aeronautics and Astronautics.

Роберт Ранценбах Управляющий Аэродинамической трубы им . Гленна Л. Мартина, член  АИАА, Марк Бэйерли,  Джон Д. Андерсон, профессора, члена АИАА, Мерилендский Университет, Колледж Парк.

« Шероховатость увеличивает подъёмную силу крыльев с симметричным профилем» США, 16.11.1997. Опубликовано  в  Американском Институте Аэронавтики и Астронавтики.

34. Nikolai Vorobjev,  captain  1 rank,  Russian  Navy (ret.)

A distorted  Submarine    Submarine Review, July 1994, pp 74-78.

Николай Воробьёв, капитан 1 ранга,   Российский ВМФ « Кривая подводная лодка»  Сборник статей по ПЛ, июль 1994, стр74-78.

35. Закс Н.А. «Приспособления для увеличения максимальной подъёмной силы крыла» Военно-воздушная ордена Ленина Академия К.А. им. Н.Е.Жуковского, 1944 г.

36. Чжен П. «Управление отрывом потока», М. Мир, 1979,  с. 227, с.288, п.4,5 и  4,3

37. Прандтль Л.  Гидромеханика, изд. Иностранной литературы, Москва, 1951г.

38. Егер С.М. Проектирование пассажирских реактивных самолётов. Москва, Машиностроение, 1954г.,

39. Акт испытаний в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова  от 23 марта 1987 года по определению аэродинамических характеристик крыла с  различными видами повышенной шероховатости его нижней поверхности, утвержденный  д.т.н., профессором  А. А. Русецким.

40.  Воробьёв  Н.Н. « Исследование влияния шероховатости, несимметрично расположенной по поверхности тела,  на его  гидродинамические  характеристики» -  отчёт по теме А - X – 188  ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 1987 год.

41.  Воробьёв Н.Н., Миронова В.Б. « Исследование эффекта возникновения дополнительной подъёмной силы крыла при повышенной шероховатости его  нижней (нагнетающей) поверхности и практическое его использование» -отчёт по НИР  ГМТУ «А-292» 1991 год.

42.  Воробьёв Н.Н., Миронова В.Б.  «Исследование возможности увеличения эффективности несущих поверхностей подводных аппаратов за счёт повышения шероховатости их нагнетающей  стороны» - отчёт по части 2 отчёта  ГМТУ «А- 292». 1992 год.

43. Лысенков П.М. и др., Влияние рельефа поверхности гребных

 винтов на их гидродинамические характеристики. Судостроение,1987,№2, стр. 39-41.

44. Кацман Ф.М.и др..  Пропульсивные качества морских судов.  Л. Судостроение, 1972, стр.281.

45.  Воробьёв Н.Н.  «Эффект увеличения подъёмной силы от повышения шероховатости нижней поверхности крыла и его возможное использование в различных видах транспорта»   Статья  в журнале транспорт « Наука техника управление», Москва 1991, №12, стр 10-15.

46. Воробьёв Н.Н. « Эффект увеличения подъёмной силы от повышения шероховатости нижней поверхности крыла и его использование в судостроении». Статья в журнале «Судостроение», 1992, №5, стр.6-9.

47.  «Patent it  Yourself»  by Patent Attorney David  Dressman

Edited  by Attorney Stephen Elias.   Mustrations  by Linda  Allison. Nolo Press  Berkeley.

 

О  Г  Л  А  В  Л  Е  Н  И  Е

Переворот в технике – увеличение
подъёмной силы крыла вдвое

  Введение

  1.  Как был открыт новый эффект в  аэрогидродинамике.

   Впервые! Веское доказательство – «Кривая ПЛ»

   1.1.   Подтверждение существования нового эффекта на основании продувок в аэродинамической трубе модели ПЛ.

   2. Определение  направлений исследования эффекта.

   2.1.    Перечень организаций и их ведущих специалистов, участвовавших в обсуждении эффекта.

   2. 2.   Ранее встречавшиеся проявления нового эффекта, но не принятые к рассмотрению, как непонятные:

   2.2.1.  Негативные проявления эффекта;

   2.2.2. Положительное проявление эффекта – предвестник наиболее перспективных способов применения данного эффекта.

3.       Бионические  оценки эффекта.

3.1.    У  истоков воздухоплавания 

3.2.   Особенности перьевого покрова крыльев  птиц-парителей.

    3.3.   Роль чешуйчатого покрова крыльев бабочек в  их  планирующем полёте

    3.4.  Выводы

    4.   Теория подъёмной силы  крыла и место в ней данного  эффекта

    4.1   Краткий экскурс в историю

    4.2.       Известные исследования  взаимодействия потока  жидкости с шероховатой поверхностью и  влияния  шероховатых обеих поверхностях крыла на его   подъёмную силу.

    4.3.     Эффект Магнуса, различные способы  увеличения    подъёмной силы крыла и место среди них     исследуемого эффекта.

    4.4.    К вопросу о теоретическом представлении эффекта.

    5.       Исследования  аэродинамических  храктеристик  крыльев  с  целью определения  возможностей повышения их  эффектпвностей при использовании данного эффекта.                             

    5.1.    Характеристики крыла и шероховатостей его  агнетающей поверхности.

    5.2.    Анализ результатов проведенных исследований

На величину  подъёмной силы влияют следующие факторы:

   5.2.1.  Влияние вязкости жидкости.

   5.2.2.  Влияние месторасположения районов с повышенной шероховатостью

   5.2.3.Влияние плотности размещения элементов шероховатости, их формы, геометрических размеров и особенно турбулизирующих поток свойств

  5.3.  Влияние изменения характера обтекания крыла, имеющего повышенную шероховатость нижней ( нагнетающей) поверхности, на существенное увеличение его критического угла и связанное с этим увеличение вдвое его подъёмной силы.

  6.  Регистрация установленного эффекта во Всесоюзном   Научно – Исследовательском  Институте Государственной  Патентной Экспертизы – ВНИИГПЭ.

  7.        Возможные практические использования эффекта

  7.1.  Учёт эффекта при рассмотрении  ранее непонятного  воздействия внешних сил на крылья, корпуса и  выступающие части транспортных средств.

  7.2.   Повышение эффективности уже созданных                            крыльевых устройств.

  7.3.    Создание новых, высокоэффективных конструкций  крыльев и крыльевых систем с большими  критическими углами атаки.

  8.       Дальнейшие исследования эффекта

  8.1.      Исследования эффекта в Филиале ЦНИИ им. акад.   А.Н. Крылова  в  г. Чкаловске в 1987 – 1992 годах.

  8.2.     Исследования эффекта  в аэродинамической трубе   Мерилендского  университета в 1995-1997 годах.

  8.3.      Патентный поиск и разработка материалов для        трёх патентов

  9.                                        З А К Л Ю Ч Е Н И Е

  10.    В чём мне нужна помощь в патентовании и  при дальнейших  исследованиях нового эффекта и его внедрении?   Чём могу я помочь?

 11.   Копии отдельных документов и статей (представлены будут позже).

 1. Акт испытаний в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова  от 23 марта 1987 года по определению аэродинамических характеристик крыла с  различными видами повышенной шероховатости его нижней поверхности,      

               

 2. Воробьёв Н.Н. АС №161906 по заявке на способ №467447/40-23      (48889) то 05.04.89. «Способ управления подъёмной силой тела с аэродинамическим двояковыпуклым профилем».

 

 

 

 

 3. Воробьёв Н.Н. «Эффект возникновения поперечной силы при обтекании потоком шероховатой поверхности». Доклады АН СССР, 1991г., Том 318, №1, с.62-65.     

 

 

 

 

                  

 4. N.Vorobiev “Appearance of Traамических nsverse Force During Flow Along a Rough Surface”. Soviet Physies Doklady, Vol. 36(5),pp.373-375. Moscow, Russia, 1991, published by the American Institute of Physies

 

 5. Nikolai Vorobjev,  captain  1 rank,  Russian  Navy (ret.) A distorted  Submarine    Submarine Review, July 1994, pp 74-78.

 

 

 6. Николай Воробьёв, капитан 1 ранга, ВМФ России (отст.) «Кривая подводная лодка» Submarine Review, июль 1994, стр.74-78.

 

 7. Robert Ranzenbach, Manager of  Glenn L, Martin Wind Tunnel, Fellow of AIAA.  Mark Beierle,  John D. Anderson Jr., Professor, Fellow of AIAA, University of Maryland, College Park. «Roughness Related Liftenhangencement Tu Symmetric Airfols»,  USA, 16.11.1997. Published by the  American  Institute of Aeronautics and Astronautics.

 

 

 8.  Роберт Ранценбах Управляющий Аэродинамической трубы им . Гленна Л. Мартина, член  АИАА, Марк Бэйерли,  Джон Д. Андерсон, профессора, члена АИАА, Мерилендский Университет, Колледж Парк.« Шероховатость увеличивает подъёмную силу крыльев с симметричным профилем» США, 16.11.1997. Опубликовано  в  Американском Институте Аэронавтики и Астронавтики.

 

 9. Brodskiy and N.N.Vorobiev “The Glinding Flight of Butterflies and the Role of Wing Scale Cover in Their Flight” Entomology Review, Vol. 69, issue 2, pp.241-256, Leningrad, Russia, 1991.

 

 10. Воробьёв Н.Н.  «Эффект увеличения подъёмной силы от повышения шероховатости нижней поверхности крыла и его возможное использование в различных видах транспорта»   Статья  в журнале транспорт « Наука техника управление», Москва 1991, №12, стр 10-15.

 

 

 

 

 

Новыйой