Инновационный прогресс в авиации неразрывно связан с постоянным поиском новых способов увеличения аэродинамической эффективности и улучшения характеристик летательных аппаратов. Традиционные методы конструирования достигли пределов своей оптимизации, и дальнейшее развитие требует интеграции междисциплинарных научных достижений, заимствования уникальных свойств природы и синтеза современного технического опыта.
Природные объекты обладают высоким уровнем адаптивности и оптимальности форм и движений. Так, птицы, насекомые, природные явления по типу смерча демонстрируют удивительные способности эффективного производства подъёмной силы и высокой маневренности благодаря особым механизмам взаимодействия со средой. Современные исследования показывают возможность реализации аналогичных конструктивных элементов и принципов в искусственных системах.
Данная работа направлена на изучение и адаптацию природных феноменов в технике летательного аппарата, что позволяет достичь качественно новых результатов.
Автор подробно рассматривает практические аспекты реализации этих концепций, приводя конкретные технические решения, экспериментальные испытания и численное моделирование различных устройств, таких как роторные орнитоптеры и вихревые роторы. Исследование ориентировано на решение актуальных проблем современной авиации, связанных с необходимостью повышения грузоподъёмности, дальности полёта и экономичности эксплуатации летательных аппаратов.
Аэродинамика махового полёта, наблюдаемая у птиц и насекомых, демонстрирует решения, заимствованные природой для обеспечения конструктивной устойчивости, высокой подъёмной силы и манёвренности. Одним из таких решений является сегментированная или гребенчатая структура крыла. В традиционной аэродинамике считается, что сплошные, гладкие поверхности крыла способствуют наилучшему потоку. Однако природа использует крылья, лишённые полной сплошности: перья у птиц, мембранные крылья с щетинками у насекомых.
Это наталкивает на инженерную идею – использовать гребенчатую структуру крыла как активный элемент управления потоком, как завихритель, способный формировать устойчивые вихревые структуры.
1. Определение и вид гребенчатого крыла.
Под гребенчатым крылом понимаем крыло, разделённое поперёк на множество узких продольных разрезов (сегментов).
Эти сегменты работают независимо при сохранении общей направленности движения, но между ними остаются зазоры.
2. Работа гребенчатого крыла как завихрителя.
Гребенчатое крыло фактически выступает как генератор микровихрей. При прохождении потока через щели между сегментами формируются тангенциальные смещения скоростей, приводящие к срыву частиц воздуха и возникновению локальных вихревых структур.
Эти вихри:
– ускоряют переход пограничного слоя из ламинарного в турбулентный;
– стабилизируют отрыв потока;
– повышают присасывающее давление с верхней стороны крыла;
– увеличивают критический угол атаки и диапазон устойчивой работы крыла.
Сегментация задней (или всей) части крыла провоцирует образование не одного, а нескольких параллельных вихревых дорожек позади крыла. Это позволяет не только повысить активную площадь воздействия потока, но и перераспределить силы давления по хорде крыла.
В результате формируются устойчивые вихревые структуры, которые действуют с направленной подъемной и/или тянущей силой, аналогичным образом тому, как это наблюдается у живых организмов – птиц и насекомых.
3. Биологические вдохновения.
Птицы.
У большинства птиц маховые перья в области размаха на концах крыла свободны. Это образует типичную гребенчатую структуру, придающую крылу свойства продуваемого решётчатого завихрителя. Даже в случаях, когда у птиц отсутствуют одно-два перья в крыле, они свободно продолжают летать. Этим подтверждается способность вихрей огибать решётчатую структуру без разрушения общей вихревой картины.
