Может ли эта конструкция обеспечить большую подъемную силу, чем тяга двигателя?

Потому что бесплатного обеда не бывает. Одно крыло за пропеллером или вентилятором может получить некоторый прирост производительности за счет нахождения в воздушном потоке пропеллера, но когда вы начинаете складывать вместе несколько крыльев... это становится немного сложнее.

Одно крыло может получить преимущество от завихрения, вызванного пропеллером, в дополнение к увеличенной скорости, о которой вы сказали. В диссертации, написанной LLM Veldhuis о взаимодействии крыльевых винтов, он отмечает, что, когда у вас есть воздушный винт, работающий перед крылом и вращающийся так, что внутренняя лопасть всегда движется вверх, он изменяет локальный угол атаки на крыло позади. пропеллер. Это изменяет распределение подъемной силы (условно показанное на рисунке ниже) и в конечном итоге уменьшает индуктивное сопротивление крыла для заданного рабочего коэффициента подъемной силы. Серия экспериментов Witkowski et. др. ( Взаимодействие гребного винта и крыла ) в 1980-х годах было зарегистрировано крыло, обеспечивающее снижение индуктивного сопротивления до 40% благодаря регулировке скорости вращения гребного винта трактора!

Это то, что я, по крайней мере, видел в качестве наиболее заметного эффекта наличия пропеллера трактора перед крылом. Однако, если у вас достаточно маленькое крыло, скажем, в масштабе БПЛА, есть большая вероятность, что значительная часть вашего крыла окажется в пропеллерной струе, что может удерживать поток, прикрепленный к крылу при более высоких углах атаки, позволяя вы, потенциально, держите одну или две поверхности управления в неустановленном состоянии и можете маневрировать самолетом, когда они обычно этого не делают.

Однако это не подъемная сила, и это не совсем отвечает на вопрос о многоплоскостной установке. Проблема с расположением крыльев так близко друг к другу восходит к исследованиям 1920-х годов и, как мне кажется, проще всего объясняется эффектом Вентури. Когда воздух ускоряется из-за кривизны крыла, статическое давление уменьшается, и появляется сила всасывания, которая на верхней поверхности крыла превращается в подъемную силу. Однако сложите два крыла (или другие предметы) ближе друг к другу (как на картинке ниже), и вы получите что-то… не очень хорошее. Изображение ниже взято из концептуального проекта винтокрыла, представленного Университетом Мэриленда для конкурса выпускников Американского вертолетного общества 2016 года, и представляет собой довольно странную вещь, называемую квадрокоптер-биплан-хвост (мы назвали ее Halcyon ).). Однако итог изображения (окрашенного локальным давлением — чем отрицательнее Cp, тем ниже давление) состоит в том, что из-за крыльев и фюзеляжа (часть посередине) вы играете в игру убывающая отдача.

В то время как над нижним крылом движется воздух с очень высокой скоростью, что приводит к очень большой подъемной силе, та же самая зона низкого давления также создает сильную прижимную силу на фюзеляже, эффективно уменьшая большую часть подъемной силы (команда разработчиков подсчитала, что это убило почти все его, собственно) из нижнего крыла. Верхнее крыло, поскольку там немного больше места, не так подвержено тому же явлению, поэтому, в конце концов, у самолета теоретически была достаточная подъемная сила, чтобы летать... но это совсем не эффективная конфигурация. То же самое было бы верно для стопки крыльев. В статье Макса Мунка 1923 года под названием « Общая теория бипланов», по его оценке, чтобы свести к минимуму интерференционные эффекты между крыльями, они должны быть разнесены не менее чем на 3 длины хорды. Это легко раздвинуло бы ваши крылья так далеко друг от друга, что даже два крыла не могли бы легко оставаться в следе от винта ... по крайней мере, для полноразмерного самолета.

Во-первых, мне кажется странным, что ваш вентилятор указывает свою тягу в единицах массы. Тяга должна быть силой, а не массой. Теперь предположим, что это означает, что тяга эквивалентна силе веса этой массы в гравитационном поле Земли (g = 9,80665 м/с²), и мы получим реальную тягу 11,768 Н.

Тяга представляет собой произведение массового расхода на разницу скоростей между входным и выходным потоком. В статическом случае и с использованием гипотезы Фруда это означает:

К сожалению, сжатие реактивной струи означает, что только небольшая часть крыла за вентилятором будет испытывать эту воздушную скорость. Как правило, подъемная сила создается крылом за счет отклонения воздуха вниз. Обычно большая масса воздуха отклоняется на небольшую величину, потому что это приводит к наибольшей эффективности . Если вы будете настаивать на использовании меньшего размера крыла и большего угла отклонения, пострадает эффективность . Количество крыльев не повлияет на результат — одно крыло создаст такую ​​же подъемную силу, как и любой набор из нескольких крыльев, только с меньшим сопротивлением трения.

Это почему? Подъемная сила вызывается отклонением воздуха, и это отклонение осуществляется полем давления, которое требует всасывания на верхней поверхности крыла и избыточного давления на нижней поверхности. В пакете крыльев всасывание нижнего крыла также будет воздействовать на нижнюю часть верхнего крыла, поэтому фактически только всасывание самого верхнего крыла и давление под самым нижним крылом добавят чистую подъемную силу. Лучше уменьшить этот стек до одного крыла, где каждая поверхность может способствовать подъемной силе.

Если вы хотите, чтобы подъемная сила была такой же, как тяга, создаваемая вентилятором, крыло должно было бы полностью отклонить выходящий поток вниз, на 90°. Это намного выше любого реального значения для крыла (или их набора). Лучше разместить крыло на некотором расстоянии от выхлопа вентилятора. Тогда выхлопной поток будет подсасывать воздух с боков, поэтому масса набрасываемого на крыло воздуха будет увеличиваться, а его скорость уменьшаться. Теперь такую ​​же подъемную силу можно создать при меньшем отклонении потока, но все же возможная подъемная сила будет меньше, чем тяга вентилятора.

Во-вторых, форма аэродинамического профиля не годится для этого приложения. Вам нужно максимальное отклонение и фиксированный угол, под которым воздух падает на крыло. Таким образом, вы можете позволить себе небольшой радиус передней кромки и нуждаетесь в гораздо большем развале. Как аэродинамический профиль закрылка Фаулера ! Чтобы увеличить угол отклонения, можно добавить вторую створку с промежутком между ними. И третий. Это было доведено до крайности Фредериком Хэндли Пейджем в 1921 году, когда он модифицировал аэродинамический профиль RAF 19 с 7 прорезями для максимальной подъемной силы, так что в результате получилась шахматная конфигурация из 8 аэродинамических профилей. Обратите внимание, что аэродинамические поверхности не находятся в одном и том же месте по потоку, но каждый находится ниже следа от предыдущего аэродинамического профиля.

_{8-элементный аэродинамический профиль Handley-Page, взятый из этой статьи AMO Smith, McDonnell-Douglas)}

Теперь нужно сказать, что отклонение потока повлечет за собой сопротивление. Если поток повернуть на 90°, даже в идеальных условиях сопротивление будет не меньше силы тяги. Если вы нарисуете прямоугольник вокруг комбинации веер-крыло и проинтегрируете по краям, вы обнаружите, что в выходящем воздушном потоке не осталось горизонтальной составляющей, поэтому эта хитроумная штуковина не создает чистой тяги.

Не лучше ли повернуть вентилятор на 90°, чтобы использовать его тягу для подъемной силы?

Если вы используете тягу вентилятора для перемещения комбинации вентилятор-крыло по воздуху, то крыло может работать на всем поступающем на него воздухе. Сделайте его большим и двигайтесь достаточно быстро, и подъемная сила действительно будет больше, чем тяга . Чтобы повысить эффективность, замените вентилятор на приличный пропеллер и сравните результат со статусом-кво.

Чтобы максимизировать подъемную силу ускоренного воздушного потока вентилятора (или гребного винта), конструкция крыла с обдувом показала превосходные возможности на низких скоростях, пока двигатели работали. Одним из примеров является крыло Custer Channel , используемое на CCW-5, показанное ниже ( источник ).

Другой пример — показанный ниже экспериментальный тактический транспортный самолет Boeing YC-14 в процессе постройки с полностью выпущенными закрылками ( источник ).

Нет. Тяга, которую обеспечивает двигатель, — это тяга, которую обеспечивает двигатель, независимо от того, как вы хотите наклонить поток выхлопных газов:

• Наклоните весь двигатель, и тяга станет вертикальной. Сделайте лопасти вентилятора намного длиннее, и у вас есть вертолет.
• Когда двигатель находится в горизонтальном положении, установите плоскую пластину под углом 45 градусов, и горизонтальная тяга будет отклоняться вниз, за ​​вычетом значительных потерь из-за сопротивления плоской пластины.
• Установите профиль крыла, и тяга будет немного наклонена вниз с некоторыми потерями, намного меньшими, чем выше, из-за пика всасывания давления в носовой части профиля, что обеспечивает гораздо меньшее сопротивление, чем плоская пластина.
• Установите два профиля крыла в потоке выхлопных газов, и вы создали биплан. Делает то же самое, что и однокрылое выше, но с большими потерями из-за большего сопротивления.
• Установите много профилей крыла, и у вас будет больше потерь из-за лобового сопротивления. Эта конфигурация была протестирована и не удалась.

Подъемная сила, создаваемая аэродинамическим профилем, находится позади вашего ЦТ, поэтому ваша масса впереди толкает нос вниз, а хвост поднимается крылом, что означает, что ваш самолет наклонится вперед (вниз). Кроме того, все остальные уже упоминали об интерференции крыльев. Также турбулентный воздух не очень полезен для подъемной силы и плох для управления.