Vychýlený proud - Deflected slipstream


Vychýlený proud je přístup k vytvoření letadlo který může vzlétnout a přistát vertikálně (VTOL ), nebo alespoň s velmi krátkou dráhou (STOL ). Základním principem je odklonit proudový proud od jedné nebo více vrtulí přibližně o 90 stupňů, aby se vytvořil vzestupný tah pro vertikální vzlet a sestupný vzduchový polštář pro přistání. Jakmile jsou ve vzduchu, jsou vztlakové klapky zasunuty, takže letoun může létat vodorovně.

Dějiny

Předběžný

Počátkem tohoto přístupu k vertikálnímu letu byly vztlakové klapky vyvinuté v období první světové války a později. Tyto vztlakové klapky byly navrženy tak, aby dodávaly letadlu vztlak.[1]

Výzkum sponzorovaný NACA ve Spojených státech

V období po druhé světové válce, kdy USA Národní poradní výbor pro letectví (NACA) sponzorovaný výzkum na poměrně velkém počtu přístupů k vertikálnímu letu, odkloněný přístup proti proudu byl zkoumán pomocí modelů, testů v aerodynamickém tunelu a konstrukce letadel v plném měřítku. Byla to jedna z řady technologií S / VTOL, které NACA sponzorovala v padesátých letech minulého století a které shrnul Mike Hirschberg ve své tabulce „Wheel of Misfortune“.[2]

Průzkumy v aerodynamickém tunelu

V roce 1956 Robert Kirby prozkoumal účinnost křídel s klapkami s velkými tětivy při vychylování vrtulového skluzu dolů přes velké úhly potřebné pro vertikální vzlet.

Zkoušky byly provedeny v NACA Langley ve Virginii na modelu umístěném ve volném aerodynamickém tunelu. Rozpětí křídel modelu bylo přibližně stejné jako teoretický průměr skluzu vrtule, tj. 70% průměru vrtule (61 cm). Robert Kirby shrnul svůj výzkum odkloněného toku proudu v technické poznámce NACA [TN] 3800:[3]

"Šetření ukázalo, že je možné otočit vrtulový proud vrtule o 90 °, takže vektor výsledné síly kombinace křídlo-vrtule byl normální vůči hřídeli vrtule a byl 80 procent velikosti tahu vrtule." Když byl model blízko země, byl proud proudu otočen pouze o 75 °, ale výsledná síla se zvýšila na asi 88 procent tahu. Výsledná síla byla snížena asi o 10 procent, když byl do systému křídla přidán trup. “ Na závěr dodal: „Koncové desky s přibližně půlkruhovým tvarem na každém křídle (definované horním povrchem kříže s vychýlenými chlopněmi a vazbou mezi přední a zadní hranou) byly nezbytné pro dosažení vysokých úhlů otáčení a účinnosti. Větší koncové desky nevykazovaly žádné zlepšení účinnosti otáčení systému křídla “.

Schéma principu vychýleného proudu proudu

Další studie aerodynamického tunelu o vychýlených mechanikách VTOL s prouděním proudu byly provedeny v letech 1955 a 1956 Richardem Kuhnem a Johnem Draperem v NACA Langley Research Center. Publikovali řadu technických poznámek k tomuto tématu pro NACA. V technické poznámce 3360[4] Kuhn a Draper diskutovali o svém cíli:

Vyšetřování účinnosti křídel jednoplošníku a klapek odvádějících klapky vrtule směrem dolů probíhá v letecké laboratoři v Langley. Část tohoto šetření je uvedena v referencích 1 a 2. Výsledky reference 1 naznačují, že jednoplošník vybavený hladkými klapkami a pomocnými lopatkami může odklonit tok proudu velkými úhly blížícími se úhlům požadovaným pro vertikální vzlet.

Kuhn a Draper ze svého výzkumu dospěli k závěru:

Na základě zkoušek s plochými deskami různých tětiv byl získán nejlepší úhel otáčení s poměrem tětivy křídla k průměru vrtule rovným 1,00, což byl největší zkoumaný poměr; zvýšení poměru tětivy křídla k průměru vrtule z 0,75 na 1,00 však vedlo pouze k malému zlepšení účinnosti zatáčení, ale způsobilo velké zvýšení momentu potápění.

Tento odkaz na „potápěčský okamžik“, což znamená, že se model přiblížil k zemi, zatímco se vznášel, naznačil jednu z výzev, kterým čelí konstrukce prototypů v plném měřítku, které využívají princip vychýleného proudu.

Prototypy

Koncem padesátých a počátku šedesátých let byla postavena tři různá plavidla, která jako prostředek k dosažení vertikálních nebo krátkých vzletů využívaly odkloněný proud.

Ryan Model 92 Vertiplane VZ-3RY

Vychýlený prototyp VZ-3RY na vzletové a přistávací dráze, klapky dolů
VZ-3RY se vzletem STOL

The Ryan VZ-3 bylo letadlo s odkloněným letovým proudem určené pro celkovou kapacitu VTOL. Projekt VZ-3RY byl zahájen v roce 1957, kdy Ryan Aeronautical Company byla americkou armádou najata na vývoj a výrobu létajícího plavidla se schopností V / STOL.

Letoun měl krátká rozpětí křídel s dvoukřídlými klapkami s velkým akordem, poháněným hřídelí turbíny o výkonu 825 koní (615 kW). Motor poháněl protější rotující dvojité dřevěné vrtule. Každá podpěra měla průměr 2,79 m.

Výsledky testování tohoto plavidla byly poprvé zveřejněny v listopadu 1959 v NASA TN D-89 [5] z Ames Research Center v Moffett Field v Kalifornii. Na obrázku 12 výše je letoun namontován s odtokovou hranou klapek ve výšce 17 stop (mimo pozemní efekt). Cituji autory TN D-89,

"Hlavním cílem studie v aerodynamickém tunelu bylo zjistit, zda by stroj mohl dosáhnout ustáleného stavu VTOL; určit, za jakých podmínek by byl provoz nemožný nebo nebezpečný z aerodynamického nebo konstrukčního limitu; a získat informace nezbytné pro pilotní simulaci pohybu letadla…. Hlavní část zkoušek byla zaměřena na podmínky a síly simulující vodorovný nezrychlený let, tj. Vztlak přibližně rovný hmotnosti letounu (2625 lb) a přetažení přibližně stejné jako složka horizontálního tahu. “

Zjistili, že okamžik potápění se zhmotnil, když se letadlo v režimu vznášení přibližovalo k zemi z 4,9 m nebo méně, i když klapky nejsou plně použity. Když jsou tyto klapky nasazeny, okamžik potápění se stává ještě vážnějším:

"Primárním účinkem přiblížení k zemi během vznášení byl okamžik sklonu nad možnosti oříznutí podélného ovládání." Tento okamžik se dostal pod kontrolu přidáním špičkové lamely. “

Přidání této lamely však také vytvořilo nestabilitu výšky tónu při pokusu o dopředný let.

V pozdější technické poznámce, v roce 1963, označené NASA TN-D-1891,[6] autoři Howard L. Turner a Fred J. Drinkwater III uzavřel:

"Zkušební vozidlo Ryan VZ-3RY bylo letově testováno v rozsahu rychlosti letu od 80 uzlů do 6 uzlů." Koncept vychýleného proudu se ukázal být vhodnějším pro provoz STOL než VTOL. Nepříznivé účinky na zem zabránily provozu blízko země při rychlostech nižších než 20 uzlů a pod výškou přibližně 15 stop. Bylo dosaženo strmých klouzavých svahů k přistání (až –16 °) na přibližně 40 uzlech, ale strmý, pomalý a sestupný let se nezdál proveditelný. Celorozpěrné lamely výrazně zvýšily schopnost sestupu a snížily minimální letovou rychlost. “

Zdálo se, že neschopnost sestoupit skutečně vertikálním způsobem a nevyřešené problémy, jak se plavidlo přibližuje k zemi, známé jako „nepříznivý pozemní efekt“, považují toto plavidlo za uchazeče VTOL. Když zkoumali chování vozidla, když se přibližovalo k zemi, a stalo se předmětem „pozemního efektu“, zjistili:

"Zdá se, že mechanismus pozemního jevu spočívá v tom, že vychýlený proud proudu je recirkulován skrz vrtulový disk jako turbulentní vzduch, což částečně způsobuje ztrátu účinnosti vrtule, tedy ztrátu rychlosti proudu proudu a snížení účinnosti zatáčení." Ztráta ve vztlaku je důsledkem snížené rychlosti skluzu a letadlo rychle klesá do země. Nebylo možné zkontrolovat sestup s použitím síly. Tuto ztrátu ve výtahu doprovází hlasitý plácnutí od vrtulí. Letadlo nevykazovalo žádnou tendenci k náhlému stoupání při vstupu do pozemního efektu. Za podmínek příčného větru však došlo k asymetrickým ztrátám ve vztlaku, což mělo za následek náhlý boční skluz nebo náhlý náklon letadla těsně před pozemním kontaktem. “

VZ-3RY vykazoval silné vlastnosti STOL, jak je vidět na fotografii výše, kde letadlo vzlétlo ve velmi krátké vzdálenosti. Skutečnému vertikálnímu letu (nebo VTOL) však existovala řada překážek a výzkum plavidla nepokračoval v tom, zda by bylo možné tyto překážky překonat. Poslední slovo o tomto řemesle zůstalo:

"Letové zkoušky s testovacím vozidlem Ryan VZ-3RY V / STOL s odkloněným proudem ukázaly, že koncept má některé vynikající výhody jako letadlo STOL, kde jsou požadovány velmi krátké vzletové a přistávací vlastnosti." Nepříznivý účinek na půdu způsobený recirkulací vrtulového proudu vrtule, přísně omezený provoz při velmi nízkých rychlostech vzduchu. “

Fairchild M-224-1VZ-5FA

Fairchild Aircraft, která stavěla letadla od 20. let 20. století, byla kontraktována americkou armádou na konci 50. let Fairchild VZ-5 jiný letoun pokoušející se o svislý let s principem vychýleného proudu proudu. Technické memorandum NASA, TM SX-805,[7] Autor Marvin P. Fink popisuje výsledky testování tohoto vychýleného letounu v aerodynamickém tunelu Langley.

Souhrn šetření uvedl, že výsledky testování pro VZ-5 nebyly příznivé:

Šetření ukázalo, že letoun byl nestabilní v celém rozsahu rychlostí a nemohl být pro nízkou rychlost upraven o skutečné těžiště při tahu 0,64. Aby byla zajištěna přiměřená míra podélné stability základní konfigurace letounu a holá schopnost seřízení v rozsahu vychýlení klapky, bylo by nutné zatěžovat letoun tak, aby se těžiště pohybovalo daleko před jeho skutečné umístění. K přesunutí těžiště na požadované množství by bylo zapotřebí asi 700 liber hmotnosti přidaných do prostoru kokpitu. Letoun může vyvinout vznášející se zdvih asi 4 000 liber, což se přibližně rovná jeho hmotnosti. Letoun měl velmi vysokou účinnou vzepětí, u které by se ve spojení s určitými směrovými nestabilitami očekávalo, že bude mít velmi nežádoucí letové vlastnosti. “

Vzhledem k tomu, že VZ-5 byl testován pouze na zemi a v aerodynamickém tunelu, nikdy nebylo známo, jak se tyto „nežádoucí letové vlastnosti“ projevily v testovacích bojích.

Robertson VTOL

Třetí pokus o využití odkloněného proudu pro získání schopností VTOL letadla byl vyroben společností Robertson Aircraft Corporation v letech 1956 a 1957. Nikdy nebyl odletěn z postroje.[8]

Výroba letadel

Ačkoli žádné letadlo využívající technologii vychýleného proudu nebylo nikdy uvedeno do výroby jako vozidlo VTOL, byla tato technologie použita k umožnění krátkého vzletu a přistání (STOL ) letadla. Jeden známý příklad byl Breguet 941, který v produkčním režimu viděl omezenou službu.

Současné úsilí

Na tomto obrázku jsou patrné rysy Bertelsensova designu, jako je obloukové křídlo a klapky k odklonění vrtulového proudu.

Výše uvedená tři plavidla představují snahy NASA využívat odkloněný přístup po proudu k vertikálním a krátkým vzletům a přistáním (V / STOL ). Vzhledem k tomu, že pouze Ryan VZ-3RY opustil zem a jeho výkon se nepodařilo v čistě vertikálních operacích, nebylo v letech 1950 až 1960 v období výzkumu NACA a NASA vyvinuto žádné skutečné plavidlo VTOL založené na odkloněném proudu.

Jeden výzkumný pracovník, který pracoval na svých vlastních zdrojích, se nadále díval na tento přístup k letounu VTOL a strávil více než pět desetiletí svého času hledáním odkloněného letounu s vertikálními schopnostmi. V těchto letech navrhl radikálně odlišný tvar křídla - kterému říká obloukové křídlo - a provedl vlastní testy doplněné o testy univerzitního aerodynamického tunelu, aby určil životaschopnost jeho přístupu.[9]

Tento výzkumný pracovník, Dr. William Bertelsen, zemřel v roce 2009. Jeho syn William D. Bertelsen pokračuje v experimentování s metodou odkloněného proudu vertikálního letu a v rámci svého výzkumu vytvořil malé modely, draky, sluneční plachty a ultra světla. K dnešnímu dni (2017) nebyl vytvořen model modelu v plném měřítku, který je zde zobrazen.

Viz také

Poznámky

  1. ^ „Americká stoletá výročí letu,„ Štěrbinová křídla, klapky a zařízení s vysokým zdvihem “, Sté výročí letu“. Archivovány od originál dne 2008-05-21. Citováno 2008-05-20.
  2. ^ „Hirschberg, Michael J.,“ Stručný přehled historie V / STOL"". Archivovány od originál dne 2008-08-21. Citováno 2008-05-20.
  3. ^ „Kirby, Robert H., NACA TN 3800“ Průzkumné zkoumání účinnosti dvojplošných křídel s dvojitě štěrbinovými klapkami s velkými tětivy při přesměrování skluzu vrtule dolů pro vertikální vzlet"". Archivovány od originál dne 2008-05-17. Citováno 2008-05-20.
  4. ^ Draper, John W; Kuhn, Richard E, „Některé účinky provozu a umístění vrtule na schopnost křídla s hladkými klapkami odklonit proudy vrtule dolů pro vertikální vzlet“, NACA TN 3600, 1955.
  5. ^ James, Harry A., Wingrove, Rodney C., Holzhauser, Curt A., Drinkwater, Fred J. III, „Wind-Tunnel and Piloted Flight Simulator Investigation of a Deflected-Slipstream VTOL Airplane, The Ryan VZ-3RY“, NASA TN D-89, listopad 1959
  6. ^ Turner, Howard L. a Drinkwater, Fred J. III, „Některé letové charakteristiky vychýleného letadla Slipstream V / STOL“, NASA TN D-1891, 1963
  7. ^ Fink, Marvin P., „Full-Scale Wind-Tunnel Investigation of the VZ-5 Four-Propeller Deflected-Slipstream VTOL Airplane“, NASA TM únor 1963, SX-805
  8. ^ „Hirschberg, Michael J.,“ V / STOL History Overview Brief"". Archivovány od originál dne 2008-08-21. Citováno 2008-05-20.
  9. ^ Bertelsen, R.

Reference

externí odkazy