Проект летательного аппарата с вращающимися несущими поверхностями конструкции профессора Фредерика Кирстена
Небольшая, но интересная винтажная статья из октябрьского 1935 года выпуска журнала «Modern Mechanix», которая, думаю, заинтересует читателей и коллег.
Полет без крыльев и двигателей
Интервью с Ф. К. КИРСТЕНОМ, профессором самолетостроения Вашингтонского университета
Автор статьи: ДЖЕЙМС БОУЛЗ
Содержание:
Конструкцию самолетов ждут радикальные изменения. Циклоидный пропеллер профессора Кирстен готов перейти от стадии экспериментов к безопасным бескрылым летательным аппаратом. В данный момент в Европе разрабатываются летательные аппараты, в которых устранены не только крылья, но и двигатели.
Предисловие редакции: Профессор Кирстен (Prof. Kirsten) много лет экспериментирует с циклоидными движителями как в авиационной, так и в морской сфере. Его работа привлекла широкое внимание, а также финансовую помощь со стороны Уильяма Боинга [1], известного производителя самолетов.
Представьте себя парящим над Скалистыми горами в самолете без неподвижных крыльев, без пропеллера, каким вы знаете воздушный винт сегодня, но при этом способного набирать высоту, пикировать, устремляться вперед или фактически останавливаться в воздухе на манер гигантского насекомого.
В данной статье вы можете получить предварительное представление о возможностях полета, которыми в будущем будут обладать летательные аппараты тяжелее воздуха. Недавно разработанные устройства, известные как циклоидные пропеллеры, выступают наружу из фюзеляжей цикло-коптеров (cyclo-copter) – такое название дано машинам с такими устройствами – в тех местах, где настоящее время прикреплены консоли крыльев. Циклоидные пропеллеры выполняют как задачи крыльев, обеспечивая набор высоты и поступательное движение вперед, но и функции аэродинамических тормозов при снижении и выполнении безопасной посадки на три точки. Эта машина может быть оснащена стандартным пропеллером в его носовой части. В этом случае летательный аппарат носит обозначение цикложир (cyclo-gyro).
В течение 15 лет профессор Ф. К. Кирстен из Вашингтонского университета исследовал возможности циклоидных движителей и их приводов. Идея использования циклоидного движителя пришла профессору Кирстену в голову, когда он пытался проанализировать полет птиц. Размышления относительно характеристик реальной траектории, прочерченной в воздухе кончиком птичьего крыла, привели его к выводу, что эта траектория может напоминать траекторию циклоиды, которая находит выражение в циклоидном пропеллере, в котором несколько плоских поверхностей, или крыльев, вращаются вокруг центра.
Мы знаем, что птицы обладают способностями поддерживать положение, т.е. создавать подъемную силу подобно крылу самолета, и обеспечивать поступательное движение подобно воздушному винту. Эти способности птицы объединили в одном и том же механизме – собственных крыльях. Кроме того, птицы гораздо более универсальны по сравнению с самолетами в своей способности взлетать и садиться, а также совершать быстрый полет.
Вот еще один важный момент, к которому в прошлом даже отдаленно не приближались самолеты с неподвижным крылом. У птиц нет ни руля направления, ни элеронов, хотя они имеют горизонтальное стабилизирующее оперение в виде хвоста. Птицы осуществляют все виды управления, включая тангаж, крен и рыскание, столь знакомые пилотам самолетов, путем перемещения системы крыла.
Профессор Кирстен сказал мне:
«Таким образом, новый цикло-коптер, с которым мы сейчас экспериментируем в Авиационной лаборатории Гуггенхайма Вашингтонского университета, обладает вращающейся системой крыло-пропеллер и предоставляет нам преимущества свободного полета, которыми пользуются эти обитатели воздуха.
Это взаимосвязанные плоские поверхности, представляющие крыло птицы, своими согласованными движениями во время вращения реагируют на воздух таким образом, что создают эффекты подъемной силы и поступательного движения. Эти эффекты совершенно аналогичны тем, которые достигаются птичьими крыльями.
При установке воздушного винта и превращения летательного аппарата в цикложир этот винт и циклоидные пропеллеры вращаются независимо друг от друга. В этом случае струи воздуха от пропеллера заставляют вращаться лопасти. В то время как винт может вращаться с частотой до 2000 оборотов в минуту, циклоидный пропеллер обеспечит достаточную тягу и подъемную силу при частоте вращения всего на 350 оборотов в минуту.»
Лопасти циклоидного пропеллера на этом поразительном новом летательном аппарате с механической точки зрения устроены таким образом, что каждая из них делает пол-оборота за каждый оборот всего пропеллера. Например, в горизонтальном полете лопасть в нижней части круга установлена вертикально, представляя плоскую поверхность воздушному потоку. Это позволяет обеспечить максимальную тягу при движении машины вперед. Если эта лопасть движется назад со скоростью 100 миль в час (161 км/ч), то верхняя лопасть, которая в данный момент расположена горизонтально в воздушном потоке, движется вперед по отношению к воздуху со скоростью 200 миль в час (322 км/ч) – скорость лопастей циклоидного пропеллера при вращении относительно их оси плюс скорость поступательного движения. Благодаря этому верхние лопасти создают в четыре раза большую подъемную силу на единицу площади, чем неподвижное крыло. Вместе эти крошечные крылья работают с превосходной эффективностью во время поступательного движения и одновременно обеспечивают необходимую подъемную силу.
«Нет необходимости снабжать эти машины пропеллерами»,
– сказал мне профессор Кирстен, перекрывая шум воздушного винта, вращающегося на модели.
«Эксперименты показывают, что одни только несущие винты обеспечат нормальное управление, большую устойчивость, чем это было возможно до сих пор, и способность садиться почти вертикально даже в случае отказа силовой установки.»
Уже построенная модель цикложира представляет собой копию в масштабе 1 к 6 десятиместного пассажирского самолета. Позднее будет изготовлен полноразмерный летательный аппарат. Управляющие им летчики будут использовать совершенно новую технику полета.
У цикложира нет руля
«Поскольку в нем нет руля направления, пилот просто поворачивает штурвал вправо и влево для разворотов или кренов и перемещает его вперед и назад для планирования или набора высоты»,
– заявил профессор Кирстен.
«Например, когда он поворачивает руль влево, тросы управления изменяют углы наклона лопастей в пропеллерах в противоположных направлениях, поднимая правую сторону и опуская левую. Тем временем хвостовые пропеллеры служат для выравнивания корпуса машины в прямолинейном полете. Точность и надежность управления таковы, что необходимость в стабилизирующем вертикальном киле отпадает.
Простым поворотом маленького колеса пилот может изменить тягу лопастей, то двигаясь вперед в горизонтальном полете, то подобно птице снова зависая над одной точкой.
При внесении соответствующих изменений в систему воздушных винтов для достижения высокого шага, по-видимому, нет предела достижимой скорости.»
– говорит профессор Кирстен:
«Я уверен, что мы сможем достичь скоростей и высот, превышающих те, которые до сих пор достигались самолетами с неподвижным крылом, сохраняя при этом безопасность и управляемость, столь необходимые на низких скоростях. В то время как современный авиалайнер приземляется со скоростью, превышающей в большинстве случаев милю в минуту (97 км/ч), летательный аппарат с циклоидными движителями может совершить посадку с небольшой длиной пробега или вообще без него как автожир.»
Возможное использование в военных целях
«Машина с циклоидными движителями также обещает ценные боевые возможности. Большая часть шума, создаваемого современными самолетами, возникает из-за ритмичных импульсов, которые пропеллеры передают в воздух. Частота звука, издаваемого циклоидным пропеллером, слишком низкая, чтобы его можно было услышать. Машина с циклоидным движителем может зависать над противником бесшумно, как ночь, в то время как наблюдатели будут замечать движение на земле. Выполнив свою боевую задачу, он может улететь в безопасное место быстрее, чем любой из когда-либо построенных самолетов.
Кроме того, поскольку обзор из кабины пилота за счёт быстрого вращения циклоидных пропеллеров не имеет ограничений и поскольку перед кабиной пилота нет пропеллера, то в боевых целях в носовой части фюзеляжа могут быть установлены подвижные пулеметы.»
бескрылый безмоторный летательный аппарат, разрабатываемый во Франции, изображен художником на данном рисунке. Подробности не разглашаются, но известно, что на летательном аппарате установлена горелка, которая подает горячий воздух по трубопроводам к подъемному и толкающему конусам. Пятнадцать конусов перед кабиной пилота и один сзади поднимают летательный аппарат, а те, что в носу, тянут его вперед. Горячий воздух, проходящий через конусы, вызывает всасывание холодного воздуха на своих широких основаниях. Ожидается, что летательный аппарат, являющийся изобретением Поля Дюпюи (Paul Dupuys) из Роллегема (Rolleghem) будет иметь крейсерскую скорость 120 миль в час (193 км/ч)
этот циклоидный пропеллер диаметром 15 футов (4,6 м) был изготовлен для экспериментов профессора Кирстена. Он был оснащен авиационным двигателем Wright мощностью 400 л.с.. каждая лопасть имели длину хорды 22 дюйма (559 мм) и размах 54 дюйма (1372 мм). Циклоидный пропеллер был оснащен 24 лопастями. В ходе испытаний разогнался до частоты вращения 80 оборотов в минуту
конструкцию самолетов ждут радикальные изменения. Циклоидный пропеллер профессора Кирстен готов перейти от стадии экспериментов к безопасным бескрылым летательным аппаратом. В данный момент в Европе разрабатываются летательные аппараты, в которых устранены не только крылья, но и двигатели. Профессор Кирстен (внизу в центре) показан с моделью летательного аппарата с циклоидными пропеллерами. Справа вверху изображен двухъярусный пассажирский самолет с циклоидными пропеллерами, который сможет подниматься вертикально и зависать в воздухе. Эти операции летательный аппарат выполнял бы бесшумно. Справа снизу приведена диаграмма представляет собой вид в разрезе циклоидного пропеллера, показывающая как лопасти вращающегося пропеллера создают подъемную силу и силу поступательного движения. Величина силы регулировалась путем изменения угла наклона лопастей
Бемус Джонстон (Bemus Johnston; в круге) строит в Питтсбурге необычный летательный аппарат (сверху). Как показано на рисунке выше, вместо крыльев его летательный аппарат будет иметь серию лопастей, прикрепленных к конвейерной ленте. Ожидается, что при вращении этой ленты лопасти поднимут этот аппарат в воздух. Джонстон ожидает, что летательный аппарат будет развивать скорость 500 миль в час (805 км/ч). Справа внизу – циклоидный пропеллер в действии. Пружинные весы измеряли горизонтальную тягу, а весы под роликовыми опорами на одной стороне рамы определяли крутящий момент. Ленты использовались для обозначения направления воздушного потока. Поскольку вращающиеся лопасти невидимы, обзор пилота циклокоптера не будет затруднен
ПРИЛОЖЕНИЕ
«Циклоплан» Фредерика К. Кирстена, Вашингтонский Университет, 1921 – 1934 – 1942
Циклоидный пропеллер был запатентован профессором Кирстеном ещё в самом начале 1920-х годов. Его активно поддерживал Уильям Боинг. Проверку начали с водяного пропеллера, где идея хорошо себя зарекомендовала, однако из-за трудностей с реализацией Кирстен продал патенты германской компании «Войт-Шнейдер». Для дальнейшего изучения воздушного варианта винта требовалась аэродинамическая труба достаточного размера. Таких тогда в США их было очень мало, и профессор Кирстен предложил Вашингтонскому Университету построить собственную большую (2,4 на 3,6 м) трубу. После постройки трубы в 1936 году она была настолько занята, что Кирстен смог испытать собственную модель только в 1942 году. Эти опыты показали несостоятельность его идеи (https://ru.wikipedia.org/wiki/Циклокоптер)
[1] Уильям Эдвард Боинг, основатель авиастроительной компании Boeing
источник: James Bowles «Flying Without Wings or Motors» «Modern Mechanix» 1935-10, pages 36-38, 127
перевод впервые опубликован – https://vk.com/@710541705-flying-without-wings-or-wotors
