Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОБТЕКАНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Изобретение относится к летательным аппаратам тяжелее воздуха с вертикальным взлетом и посадкой, в частности к способам создания подъемной силы у летательных аппаратов с электрической силовой установкой.

Известен способ управления обтеканием летательного аппарата (патент RU №2415373 С1, МПК F42B 10/32, В64С 1/38, В64С 21/08, 19.01.2010), основанный на выдуве в носовой части летательного аппарата под давлением рабочего тела плотностью менее 0,06 г/см³, содержащего диссоциированный водород, и формировании в пульсирующем режиме вокруг фюзеляжа аэродинамического конуса в виде энтропийного слоя, в котором аккумулируют энергию набегающего потока для утилизации в камере сгорания силовой установки.

Недостатком известного способа управления обтеканием летательного аппарата является то, что он эффективен лишь на высоких скоростях полета, например, беспилотного летательного аппарата.

Известен электрогазодинамический способ уменьшения аэродинамического сопротивления, основанный на электрогазодинамическом воздействии на ламинарно-турбулентный переход в пограничном слое (Ватажин А.Б., Грабовский В.И., Лихтер В.А., Шульгин В.И. Электрогазодинамические течения, М.: Изд. Наука, 1983; Курячий А.П. О затягивании перехода пограничного слоя электрогидродинамическим методом // ПММ.Т. 49, Вып.1, 1985 г.).

Недостатком известного электрогазодинамического способа уменьшения аэродинамического сопротивления являются высокие энергетические затраты на генерацию заряженных частиц, вводимых в пограничный слой.

Наиболее близким из известных технических решений предлагаемому способу управления обтеканием летательного аппарата является способ полета в воздухе и устройство для его осуществления в виде летательного аппарата (Патент RU № 2184685 С2, МПК В64С 29/00, 39/00, 11.01.2001 г.), основанный на создании подъемной силы на аэродинамической поверхности за счет вращения над ней ротора с горизонтальными лопастями и создания области пониженного давления.

Недостатком известного технического решения являются высокие потери на трение и низкая энергоэффективность.

Задачей данного изобретения является повышение энергоэффективности на режимах взлета, висения, полета и посадки летательного аппарата.

Технический результат реализации изобретения заключается в улучшении массогабаритных характеристик и энергоэффективности силовой установки летательного аппарата.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в способе управления обтеканием летательного аппарата периодически вблизи аэродинамической поверхности летательного аппарата создают автоэмиссионные электроны плотностью более 1000 А/м при напряженности электрического поля не менее 1 В/мкм, генерируют отрицательно заряженные ионы кислорода воздуха, ускоряют их электрическим полем распределенной по аэродинамической поверхности секционированной электродной системы и формируют поток ионизированного воздуха в окрестности аэродинамической поверхности и подъемную силу, действующую на летательный аппарат.

Схема беспилотного летательного аппарата для реализации предлагаемого способа управления обтеканием летательного аппарата показана на фиг.1. Механизм генерации отрицательно заряженных ионов кислорода воздуха, их ускорения, перезарядки и формирования реактивной струи вблизи аэродинамической поверхности иллюстрирует рисунок на фиг.2.

Беспилотный летательный аппарат, содержащий планер 1 с аэродинамической поверхностью 7, электрическую силовую установку 2, средства взлета/посадки 3, энергопитания 4, коммуникации 5 и управления 6, имеет устройства 8 и 9, обеспечивающие автоэмиссию электронов, генерацию и ускорение отрицательно заряженных ионов кислорода воздуха для формирования потока воздуха 10 вблизи аэродинамической поверхности 7, реактивной струи и подъемной силы F, действующий на планер 1 за счет разности давлений над его нижней и верхней поверхностями.

Предлагаемый способ управления обтеканием летательного аппарата работает следующим образом. Автоэмиссионные электроны вырывают с холодного эмиттера, покрытого углеродными нанотрубками, электрическим полем и они прилипают к молекулам кислорода 11 из-за их высокой энергии сродства к электрону (~0,87 эВ). Образовавшиеся отрицательно заряженные ионы кислорода воздуха 12 ускоряют электрическим полем секционированной электродной системы 8, 9 аэродинамической поверхности 7 планера 1 беспилотного летательного аппарата. Ионы в градиентном электрическом поле на длине свободного пробега приобретают скорость направленного движения , которая пропорциональна этому градиенту и может составлять десятки м/с.

Двигаясь со скоростью , ионы кислорода 12 при столкновении с нейтральными молекулами окружающего воздуха передают им свою энергию направленного движения или участвуют в перезарядке частиц (см., например, Месси Г., Бархоп Е. Электронные и ионные столкновения, М.: Издательство Иностранной литературы, 1958 г., с.428). При перезарядке ион кислорода 12 отдает свой электрон нейтральной молекуле 11, становясь нейтральной молекулой 11 с направленной скоростью . В свою очередь нейтральная молекула 11, приобретя электрон, становится отрицательно заряженной частицей с тепловой скоростью v и может начать ускоряться в градиентном электрическом поле, формируя поток 10 вблизи аэродинамической поверхности 7. Возникшая при перезарядке нейтральная молекула с направленной скоростью в дальнейшем при столкновениях может передать свою энергию направленного движения другим молекулам воздуха или, присоединив к себе новый электрон за счет сродства к электрону, продолжать увеличение скорости направленного движения , в градиентном электрическом поле аэродинамической поверхности 7. Процесс циклически повторяют вдоль аэродинамической поверхности 7, условно разбитой на чередующиеся зоны: генерации отрицательно заряженных ионов 13, ускорения ионов 14 и перезарядки частиц 15. При этом постоянно усиливают поток ионизированного воздуха 10.

Оценки показывают, что оптимальные параметры потока 10 и формирующейся реактивной струи могут быть получены при создании средствами микрографии распределенной по аэродинамической поверхности 7 секционированной системы электродов 8, 9 электрической силовой установки 2 с отношением шага между электродами к длине свободного пробега частиц окружающего воздуха на уровне 50.

За счет движения воздуха над аэродинамической поверхностью 7 возникает область пониженного давления и появляется дополнительная подъемная сила F, действующая на аппарат.

Управление реактивной тягой потока 10 и подъемной силой F обеспечивает летательному аппарату режимы взлета, висения, горизонтального полета и посадки.

Таким образом, полезность реализации предлагаемого технического решения состоит в том, что за счет:

- автоэмиссии электронов с углеродных нанотрубок и генерации отрицательно заряженных ионов кислорода воздуха, практически, исключены затраты энергии на ионизацию воздуха;

- создания, ускорения и перезарядки отрицательно заряженных ионов кислорода воздуха существенно повышена энергоэффективность прямого преобразования электроэнергии в кинетическую энергию реактивной струи силовой установки летательного аппарата;

- распределенной по аэродинамической поверхности летательного аппарата электрической силовой установки улучшены экологические и массогабаритные характеристики.

В настоящее время завершается разработка проекта демонстратора технологий и беспилотного летательного аппарата с электрической силовой установкой.