Ringplane: flygplan med en sluten vingslinga

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Ett flygplan med en sluten vingslinga kan inte flyga - det har bevisats av tiden. Ringplan har försökts sedan bröderna Wrights tid, och ingen sådan struktur har kunnat hålla sig uppe i flera minuter. Men det mänskliga sinnet ger inte upp. 2007, efter 100 år och mer än 20 försök, tog en liknande enhet fart. Och han visade sig vara ett manövrerbart, lätt och hållbart flygplan.

Den här historien började 1988, när saker och ting redan var på väg mot unionens kollaps, men hoppet om stabilitet glödde fortfarande i hjärtan hos ledarna för den enorma staten. Den tekniska kreativitetsklubben vid Minsk Gear Plant fick en kreativ uppgift från en lokal jordbruksstruktur: att designa ett manövrerbart och lätt flygplan som tål starka sidovindar. Den mest populära "bonden" på den tiden var AN-2: han kunde ta ombord mycket konstgödsel och sprututrustning. Men vinden var hans fruktansvärda fiende - i de oändliga Kuban-fälten liknade AN-2, när det gäller kontrollerbarhet, en galen elefant. Flygteknikern Arkady Alexandrovich Narushevich, piloten Anatoly Leonidovich Gushchin och flera andra personer tog upp fallet. Efter lång forskning kom Narushevich till en oväntad slutsats: det är nödvändigt att bygga ett flygplan med en sluten vingkontur, men inte med en cirkulär, utan en oval. Flera modeller byggdes, som flög ganska framgångsrikt (jag noterar att Narushevich under vårt samtal gjorde en pappersmodell på 15 minuter - och den flög!). Entusiaster köpte material och byggde en oval vinge. Och så kraschade 1991. Sovjetunionen förblev i det förflutna, finansieringen upphörde på bara några dagar och de återstående medlen drogs tillbaka. Vingen skickades för långtidsförvaring och flygplansprojektet glömdes bort. Men det var långt ifrån slutet.

Från Bleriot till Zhivodan

Den 17 december 1903 tog en man upp i luften för första gången i ett flygplan med motor. Mannen hette Orville Wright, och planet hette Wright Flyer I.

Trots den anmärkningsvärda framgången för bröderna Wright, har många uppfinnare kommit med olika vingkonfigurationer, enligt deras koncept, mer effektiva än vanliga Wright-plan. En av flygets pionjärer var den franske uppfinnaren Louis Bleriot, som byggde sin första Ornithopter-enhet redan 1900. Det är sant att bara den 11:e modellen, byggd 1909, blev det första riktigt flygande flygplanet från Bleriot. Vi är inte alls intresserade av det, utan av flygplanet Bleriot III, designat 1906 och aldrig lyft. Det var det första flygplanet med en sluten vingslinga i flygplanskonstruktionens historia.

Bleriot experimenterade bara - på måfå. Han kopplade ändarna på vingarna på ett konventionellt biplan i halvcirklar och installerade samma design som svansen. Det är sant att det resulterande sjöflygplanet "Bleriot III" aldrig lyfte från vattnet på egen hand. Ögonvittnen beskrev flera flygningar – när enheten bogserades som en drake, men inget mer.

Idag är Blériots misstag uppenbara: för tung svans, höga lyftförluster på grund av en felaktigt vald vingkontur. Men faktum kvarstår - flygplan med stängda vingar började sin resa inom flyget.

Förutom Bleriot experimenterade flera andra designers från början av seklet med den slutna vingen. Den franske ingenjören Zhivodans flygplan, byggt av honom vid Velmorel-fabriken 1909, var berömt vid en tidpunkt. Alla och alla, inklusive Scientific American och ett antal respekterade publikationer, har skrivit om den fantastiska maskinen som öppnar en ny flygtid. I Zhivodans flygplan spelades vingarnas roll av två ringformade figurer, mellan vilka pilotens säte var belägen. Motorn vägde 80 kg och utvecklade 40 hk genom att rotera en 2,4-meters propeller. Som du kan förvänta dig, steg den märkliga strukturen, som påminner om ett rör med en utriven central sektion, inte upp i luften. Det är värt att notera att den franska modellflygplansdesignern Emmanuel Fillon designade en fungerande modell av Zhivodans flygplan på 1980-talet. Och modellen flög vackert. Det vill säga, dess aerodynamiska egenskaper var inte så dåliga. Överdriven massa eller låg motoreffekt kan ha hindrat originalet från att lyfta.

Det är värt att nämna en annan fantastisk design - det så kallade Gary-Plane av amerikanen William Pierce Gary. Garys plan (1910) hade en platt, ringformad vinge med en diameter på 8 m - mer än fyra människohöjder! Det är sant att Garys flygplan var anmärkningsvärt för sin fruktansvärda instabilitet: alla försök att flyga på det slutade med att välta framåt.

Sent 1990-tal: andra vinden

1998 övertalade Anatoly Gushchin, Anri Naskidyants och ett antal andra piloter Narushevich att fortsätta arbeta på planet. Ett visst privat företag blev intresserade av planet, pengarna hittades, den halvt bortglömda vingen återställdes och teamet började montera flygkroppen. Allt gjordes från grunden. Om inte landningsstället togs från Mi-1-helikoptern och instrumentbrädan togs från AN-2. Bilen designades för en potentiell konsument: säten för en eller två piloter och tre passagerare i en halvcirkel. Istället för passagerare var det möjligt att placera behållare för förvaring av gödselmedel och sprututrustning …

En viktig egenskap hos Narushevichs flygplan var att den ovala vingen inte var fäst direkt på flygkroppen. Den var placerad inuti vingen på ställningar och upphängningar. Därmed skapades lyftet över hela vingytan.

År 2004 genomfördes de första fälttesterna av den mottagna maskinen. Hon gjorde flera flygningar i lugna och sidvindiga förhållanden. Uppfinnarna upptäckte att anordningen har mycket ovanliga aerodynamiska egenskaper. För det första, ett flygplan med en oval vinge (vi kommer att kalla det vidare SOC) reagerade inte alls på vindbyar upp till 13 m/s. För det andra, för en startkörning, räckte 150 m (för AN-2 - 180 m, för andra flygplan av samma klass ibland ännu mer). Men det viktigaste visade sig vara det praktiska förhållandet mellan nyttolasten och flygplanets totala tjänstevikt - 0,45! Hittills har ingen kommit i närheten av en sådan koefficient. Planet kan säkert visas för framtida investerare.

Idag verkar det märkliga "ovaloplanet" av Louis Bleriot absurt: för många misstag gjordes av den franska designern under dess konstruktion. Men Bleriot agerade slumpmässigt: 1906 visste ingen vilken vingkonfiguration som skulle vinna.

Vertikala startringar

Bland de tyska projekten under andra världskriget var många helt fantastiska i sitt mod och originalitet. Sålunda hade den vertikala start- och landningsjakt-interceptorn "Lark" (Lerche) designad av Ernst Heinkel (1944) en sluten niosidig vinge och två oberoende Daimler-Benz 605D-motorer, som var och en roterade sin egen propeller. Båda propellrarna var placerade innanför vingen. För den tiden var planet ovanligt genom att det innebar vertikal start och landning.

Det är svårt att säga vad Heinkel skulle ha gjort om Lark förkroppsligades i metall. 1945 utvecklade Heinkel även LercheII, det fanns inte tillräckligt med tid för den första, och projektet försvann i dunkel. Alla har dock möjlighet att flyga Skylark - i dataspelet IL-2 Sturmovik: Forgotten Battles. 1946.

Men fransmännen 1959 fann möjligheten att förkroppsliga sitt ringvingade mästerverk i metall. Det fantastiska SNECMA C-450 Coleoptere-jetplanet lyfte till och med. Det är sant att han landade ganska hårt och nästan begravde piloten under sig. Faktum är att SNECMA utvecklade det ringvingade obemannade luftfartyget ännu tidigare, 1954. Den fick det lyriska namnet Atar Volant C-400 P-1 (Flying Star) och gjorde mer än 200 framgångsrika testflygningar. Liksom German Lark var det ett vertikalt start- och landningsflygplan. Nästa steg var skapandet av ett bemannat fordon, som blev C-450. Den åtta meter långa jaktplanen lanserades framgångsrikt, men under övergången från vertikal flygning till horisontell flygning visade den en fullständig oförmåga att behålla höjden och störtade som en sten. Piloten kastades ut och det dyra projektet stängdes omedelbart.

SNECMA C-450 (1959) Han kunde bara flyga vertikalt. När piloten försökte växla till horisontell flygning föll experimentstrukturen ner som en sten. Det slutna flygplansprojektet stängdes omedelbart.

SNECMA C-450 (1959)

Han kunde bara flyga vertikalt. När piloten försökte växla till horisontell flygning föll experimentstrukturen ner som en sten. Det slutna flygplansprojektet stängdes omedelbart.

Det sista försöket att skapa ett vertikalt startringplan var det amerikanska projektet Convair Model 49 (1967). Convair är nu välkänt för sin ubåtsdesign och ett antal andra galna konstruktioner. Model49 var en hybrid av ett flygplan och en helikopter. Dess ringformade vinge dolde en arsenal som ett helt artilleriregemente kunde vara stolt över. Maskingevär, granatkastare, kanoner och raketgevär - "49th" skulle på egen hand kunna ge strid till en fullfjädrad armé. Om det gjordes. Det galna projektet avvisades klokt nog av den amerikanska regeringen.

Sluten flygel nytt liv

2006 blev experter igen intresserade av ämnet den ovala vingen. Vid ett av Minsk-företagen organiserades experimentellt designarbete (FoU) för att återställa ett flygplan med en oval vinge, testa det och studera dess aerodynamiska egenskaper. Chefsdesignern för ROC var Alexander Mikhailovich Anokhin, en före detta militärpilot med en gedigen 35-årig erfarenhet. Narushevich och Gushchin blev medlemmar av designbyrån. 2008 var doktor i fysikaliska och matematiska vetenskaper, professor Leonid Ivanovich Grechikhin involverad i arbetet. Han arbetade med de aerodynamiska egenskaperna hos raketer med den berömda Korolev, och nu konsulterar och föreläser han vid olika institut i CIS. Som ett resultat bildades ett team som fortsätter att arbeta med detta ämne även nu.

Problemet var att planet inte hade lyft upp i himlen sedan 2004 och hade blivit praktiskt taget oanvändbart. Men arbetet var i full gång. Flygplanet modifierades, förbereddes för flygningar och togs bort från hangaren. Testerna började. Fordonets konfiguration förblev densamma, men finjusteringen var allvarlig - ända fram till förändringen av vingprofilen. Betydande arbete (som fortsätter nu) gick till Grechikhin: ett flygplan med en oval vinge byggdes, men ingen hade tidigare beräknat det i detalj!

Tekniska funktioner

Vad är SOC idag? Det här är definitivt ett flygplan. Men när det gäller dess kvaliteter i luften skiljer den sig markant från vanliga maskiner med platta eller rundade vingar. En vanlig platt vinge kännetecknas av induktivt motstånd: luft från högtryckszonen under vingen tenderar att strömma in i vakuumzonen på den övre ytan genom vingspetsarna. I detta fall bildas ändvirvlar bakom flygplanet, vars bildning också förbrukar energi, vilket är värdet på det induktiva motståndet.

För en oval vinge är problemet med induktivt motstånd inte relevant, eftersom det inte har några spetsar. Dessutom riktas det inkommande luftflödet, som passerar genom en sluten slinga, nedåt, vilket skapar ytterligare lyftkraft. Ju större anfallsvinkel vingen har, desto starkare är denna effekt. Och attackvinkeln för en sådan design kan vara oöverträffad stor.

Flödesstoppet uppstår när luftstrålen, med en ökning av anfallsvinkeln, upphör att smidigt strömma runt den övre ytan av vingen och bryter sig loss från den med bildandet av virvlar. I detta fall försvinner lyften på vingen omedelbart och apparaten tappar kontrollen. Den ovala vingen tillåter en anfallsvinkel för vingen på upp till 50 °, medan dess närmaste konkurrenter når maximalt 20-22 °. Luften inuti den slutna vingen gör det svårt att stoppa flödet från den övre ytan av den nedre delen av vingen. Och när flödet lämnar den slutna slingan, på grund av utstötning (processen att blanda två medier, när ett medium drar med sig det andra), "suger" det luften som passerar längs den övre ytan av den övre delen av vingen. Dessa data erhölls inte empiriskt - den ovala vingen "spilldes" i vattenkanalen.

Innan det inkarnerade i metall och lyfte i luften, gick det vitryska flygplanet med en sluten vingögla genom tre "reinkarnationer" - dess konstruktion började redan 1988.

Förmågan att flyga i extremt höga anfallsvinklar, tillsammans med flödesavböjningseffekten, gör att flygplanet kan flyga i extremt låga hastigheter utan användning av klaffar. SOK saknar vingmekanisering, vilket inte hindrar den från att lyfta och landa tillförlitligt. Oöverträffat stallmotstånd gör att flygplanet kan flyga stadigt och tillförlitligt över det bredaste hastighetsintervallet.

Många egenskaper hos SOC är överraskande. Han lyckas gasa, flyga upp och landa på en ojämn gräsbana bara 400 m lång, med motorn avstängd planerar han bra och beter sig generellt mycket stabilt i luften. Den ovala vingen gör flygplanet mer manövrerbart och bränsleeffektivt. Dessutom ger den slutna öglan vingen extra styrka. Enligt Grechikhin kommer flygplan med klassiska vingar snart att ta slut. Det är väldigt enkelt: ju större planet är, desto tyngre och kraftfullare dess vinge, desto svårare är det att behålla sin styvhet. I grund och botten bär planet en massa "värdelös" last - vikten av sina egna sparrar. Och den ovala vingen är dubbelt så lätt för samma lyft.

Traditionella problem

Det största problemet är att de vitryska lagarna om luftfart inte föreskriver skapandet av flygplan på landets territorium och deras flygoperationer alls. Nyligen har Midivisana skapat en specialiserad designbyrå för utveckling av obemannade flygfarkoster under Anokhins ledning. Bland de anställda finns både Narushevich och Gushchin. Det etablerade teamet av entusiaster tappar inte hoppet om att de åtminstone i ett obemannat flygplan kommer att kunna förverkliga sin uppfinning - en sluten oval vinge.

Ringplan Sukhanov

Försök att skapa ett ringplan gjordes också i Sovjetunionen. 1936 presenterade en student vid Moskva Aviation Institute Sukhanov ett projekt av ett flygplan med en ringformig vinge för försvar som en avhandling. Vingdiametern var 3 m, och designhastigheten på 600 km/h skulle tillhandahållas av Hispano-Suiza-motorn på 800 hästkrafter. År 1940 hade diplomet blivit ett fullfjädrat projekt med en kort start- och landningsjaktflygplan och övervägdes vid TsAGI:s vetenskapliga och tekniska råd. Men kriget kom, det fanns ingen tid och pengar för att bygga flygplanet, och ännu mer för att testa det. 1942, i Novosibirsk, byggde Sukhanov en fungerande modell av ringplanet. Modelltester har visat att flygplanet kan motstå attackvinklar upp till 43 °, har ett högt kraft-till-vikt-förhållande, antispinnegenskaper och utmärkt manövrerbarhet. Sukhanov fick författarens certifikat, utförde alla beräkningar, men ringplanen såg aldrig dagens ljus på grund av kriget och förödelsen i landet.

Vingen visar sina egenskaper endast vid ett visst förhållande mellan ellipsens axlar och varandra, längden på vingens korda till ellipsens mindre axel och andra nyanser av vingprofilen. Formgivarna ansökte om patent och fick prioritetscertifikat för denna vingform i Vitryssland och Ryssland. Nu verkar det som om ingen kommer att kunna upprepa sin framgång, eftersom alla tillgängliga "korridorer" med fördelaktiga vingparametrar redan har satts ut.

För perioden från starten av utvecklingen till konstruktionen av den första produktionsmodellen av ett lättmotorflygplan behövs cirka 12 miljoner dollar, säger Alexander Anokhin.”Vi kan till och med göra en hängflygplan med en sådan vinge. Kan du föreställa dig? Hangglidare, inte rädd för sidvinden! Huvudproblemet är inte ens finansieringen: så snart SOK kommer till MAKS, till exempel, kommer investerare att hittas. Problemet ligger i den vitryska lagstiftningen, enligt vilken ett flygplan som skapats på landets territorium är extremt svårt att registrera, och i det här fallet är det helt enkelt omöjligt, eftersom det inte tillhör de kända flygplansklasserna. Det finns dock redan ett avtal med Voronezhs flygfält, som planeras användas för ytterligare tester av fordonet.

Vad kommer härnäst? Låt oss se. Faktum kvarstår. För första gången i flygplanskonstruktionens historia lyfte ett stängt flygplan. Kanske är vi på gränsen till nya upptäckter. Eller så kanske det bara är ett nyfiket flygplan, en isolerad incident. Tiden får avgöra.