История создания дискообразных летательных аппаратов показала, что их главная проблема — не отсутствие технологий, а сама форма. Диск симметричен, не имеет традиционного хвостового оперения и крыльев, а значит, не обладает естественной стабильностью в полете. Как ведет себя поток воздуха вокруг такого корпуса? Почему самолет с крыльями стабилен, а тарелка — нет? И почему даже использование воздушной подушки или эффекта Коанда не помогло сделать Avrocar управляемым? В этой части серии «Как создать НЛО» мы рассмотрим ключевые аэродинамические проблемы, которые не позволяют таким аппаратам эффективно летать.
Почему дископодобные аппараты такие упрямые к реализации?
Главные трудности заключаются в их аэродинамике и стабильности. Классический самолет имеет удлиненное крыло и хвост именно для того, чтобы обеспечить устойчивость и управляемость. Диск же по своей форме симметричен в плане и не имеет выраженного хвостового оперения или киля. Это приводит к нескольким проблемам:
Статическая нестабильность. Для устойчивого полета центр масс самолета должен быть перед центром подъемной силы. У диска очень сложно достичь такого баланса, потому что при малейшем изменении угла атаки* точка приложения подъемной силы смещается. Без специальных мер диск будет склонен внезапно «кувыркаться» вперед или назад. Проще говоря, дискообразное крыло является аэродинамически неуравновешенным. Когда вы бросаете фрисби без вращения, можно увидеть эту проблему — тарелка сразу кренится или заваливается носом. Именно поэтому фрисби надо придавать быстрое вращение: гироскопический момент стабилизирует его и переводит опасное опрокидывание в плавную прецессию**. Конечно, для пилотируемого аппарата вращение всего корпуса как во фрисби — не вариант (пилота бы просто «закрутило»), поэтому следует искать другие пути стабилизации.
Анимация прецессии механического гироскопа. Перекидывающий момент вызывает прецессию, перпендикулярную вектору момента
*Угол атаки — это угол между направлением потока воздуха и крылом самолета.
**Прецессия — это явление во время которого ось вращения объекта меняет свое направление, но сам объект продолжает вращаться. Основа работы гироскопа.
Отсутствие традиционного управления. В обычном самолете управление по тангажу, крену и курсу осуществляется рулями высоты, элеронами, рулем направления — поверхностями, отклоняющими поток. У диска нет четко определенной передней кромки и хвоста, поэтому разместить такие поверхности трудно. Можно, конечно, добавить небольшие закрылки или заслонки по краям, но их эффективность будет меньше из-за короткого плеча относительно центра масс. Avrocar, например, управлялся в режиме висения отклонением потоков из периферических сопел — то есть фактически изменяя форму воздушной подушки. Для контроля крена у него были дифференциальные заслонки в потоке, но точность такого управления оставляла желать лучшего. На высоких скоростях разработчики планировали использовать дифференциальную тягу двигателей и небольшие закрылки, но не успели довести систему до ума. Без активной системы стабилизации диск может вращаться и скользить неконтролируемо, особенно под воздействием порывов ветра или турбулентности.
Особенности обтекания воздуха. Диск — это крыло очень малой продольной длины (aspect ratio* ~1 или меньше). Теоретически плоский диск при определенном угле атаки может создавать подъемную силу, как и обычное крыло (ведь принцип Бернулли и поворот потока действуют для любого профиля). Но плоский тарель имеет низкий аэродинамический качественный коэффициент. На малых углах атаки он генерирует незначительную подъемную силу, а на больших — быстро срывается поток (становится турбулентным над верхней поверхностью) и вообще теряет подъем. И хотя есть данные, что круглое крыло может иметь высокий максимальный угол атаки благодаря симметричному срыву по окружности (некоторые эксперименты показывали возможность устойчивого обтекания диска на углах ~30° за счет тороидального вихря над ним), все же обеспечить устойчивую подъемную силу на широком диапазоне скоростей трудно. Кроме того, диск имеет значительное лобовое сопротивление в прямом полете: большая площадь поперечного сечения тормозит аппарат, особенно на высоких скоростях. У Avrocar, например, расчетная максимальная скорость сильно уменьшается при учете реальных аэродинамических потерь — понятно, что о заявленных 1500 mph (2400 км/ч) речь не шла. Так что недостаточное подъемное соотношение и большое паразитное торможение — существенные проблемы формы диска.
*Aspect ratio — это соотношение ширины к длине, например, для летательного аппарата высокое aspect ratio означает (длинные и узкие крылья, как у планеров) — больше подъемной силы, лучшая эффективность. Низкое aspect ratio (короткие и широкие крылья, как у истребителей) — большая маневренность.
** Тороидальный вихрь — это кольцеобразный поток воздуха или жидкости, вращающийся вокруг пустого центра, похожий на дымовое кольцо.
Капризность воздушной подушки. Многие дискообразные проекты (Avrocar, Coanda-1910 и другие) полагались на создание под собой воздушной подушки или кольцевой струи для висения. Но такая схема стабильна лишь на очень малых высотах над землей (в пределах половины диаметра диска). Как только аппарат поднимается выше, «подушка» начинает терять форму, симметрия нарушается и диск заваливается. В испытаниях Avrocar выяснилось, что реактивная подушка становилась все более нестабильной на высоте более 1 метра (несколько футов). Это означало, что аппарат не мог уверенно перейти с режима подъема на режим полета — на промежуточных высотах он становился неконтролируемым. Преодолеть это пытались увеличением мощности струи и модификациями конструкции, но полностью проблему не решили.
В итоге дискообразные ЛА сочетают в себе трудности фактически «бесхвостого» самолета со сверхкоротким крылом. Без применения специальных решений такой аппарат будет либо нестабильным, либо малоэффективным. Далее рассмотрим, какие теоретические и инженерные подходы могут обеспечить стабильный полет «тарелки».
Истребитель «Мираж III», выполненный по схеме «Бесхвостка»
Дискообразный летательный аппарат сталкивается с целым комплексом проблем: низкой подъемной силой, большой чувствительностью к порывам ветра, сложностью управления и высоким аэродинамическим сопротивлением. Однако некоторые эксперименты показали, что при определенных условиях тарелкообразная форма все же может быть стабилизирована — с помощью вихревых потоков, эффекта Коанда или активного управления потоком. Можно ли использовать эти эффекты, чтобы создать стабильный диск, способный держаться в воздухе и маневрировать? Далее рассмотрим теоретические решения, которые позволяют это сделать.
Ключ к построению рабочей летающей тарелки
Традиционные принципы аэродинамики не подходят для тарелкообразных летательных аппаратов. Но можно ли обойти эти ограничения, используя нестандартные подходы? Теоретически, если правильно организовать циркуляцию воздуха вокруг диска, он может получить дополнительную подъемную силу и стать стабильным. Дельта-крылья используют краевые вихри для увеличения подъемной силы — возможно, подобный подход будет работать и для диска? А что, если использовать управляемые воздушные струи или плазменные генераторы потоков? Поэтому рассмотрим расчеты и модели, которые могут помочь стабилизировать полет дискообразного аппарата.
Расчет подъемной силы для диска
Первый шаг — оценить, какую подъемную силу может обеспечить дискообразное крыло. Для любого летательного аппарата в аэродинамике действует стандартная формула подъема:
где L — подъемная сила, ρ — плотность воздуха, v — скорость потока (набегающего воздуха относительно аппарата), S — площадь крыла (в случае диска S = πR2), а CL — коэффициент подъема, зависящий от формы и угла атаки.
Эта формула справедлива и для крыльев-дисков. Например, плоский диск радиусом 5 м имеет площадь S=78,5 m2. Если он летит горизонтально со скоростью v=100 м/c (≈360 км/ч) под небольшим углом атаки, и коэффициент подъема на этом угле составляет, допустим, CL= 0.5 (довольно оптимистично для плоского диска), то подъемная сила будет составлять:
то есть около 1,2 тонны силы. Этого недостаточно, чтобы удержать такой аппарат в воздухе, если он будет весить больше (а 10-метровый диск с силовой установкой и топливом может весить значительно больше 1 тонны). Следовательно, для создания достаточной подъемной силы диск требует либо большой скорости, либо увеличения площади, либо повышения коэффициента подъема (например, за счет изогнутого профиля или принудительной циркуляции воздуха).
Особенности коэффициента подъема CL для дисковидного крыла. У тонкого профиля (например, плоской пластины) в 2D-теории значение CL примерно линейно возрастает с углом атаки (в радианах) до потери устойчивого обтекания. Но для реального 3D-крыла конечного размаха (здесь фактически размах = диаметр диска) эффективный градиент меньше конечных эффектов (утечка воздуха из-под краев и образование конечных вихрей). Диск имеет очень низкое удлинение, поэтому его максимальные CL ограничены. Однако экспериментально наблюдалось, что диск может генерировать подъем и на больших углах, формируя при этом над собой стойкие вихревые структуры. Эти вихри способны «подсасывать» воздух к верхней поверхности, поддерживая снижение давления (подобно тому, как дельта-планер или птицы с раскрытыми крыльями на больших углах создают краевые вихри на концах крыльев, держащих поток). Таким образом, с аэродинамической точки зрения, диск может получать подъемную силу двумя путями: классическим (за счет разности давления из-за обтекания профиля) и вихревым «лифтингом» (когда вихрь над диском действует как динамическое «псевдокрыло»).
Стабилизация вихрями и эффектом Коанда
Одним из способов стабилизации дискообразного аппарата является целенаправленное внедрение вихрей и эффекта Коанда для управления потоком. Эффект Коанда состоит в том, что струя жидкости или газа стремится прижаться к поверхности и следовать за ней. В контексте летающей тарелки это означает, что если вдоль поверхности диска пустить мощную струю воздуха (например, от центра к краю сверху), она будет «обтекать» верхнюю полусферическую часть и будет загибаться вниз по бокам, создавая область пониженного давления над диском и отклоняя поток вниз вокруг него. Это одновременно даст подъемную силу (за счет разрежения сверху и отклонения реактивной струи вниз) и потенциально стабилизирует аппарат, ведь поток симметрично обтекает его. Именно такую идею пытались реализовать в Avrocar – поток должен быть изогнут вниз с помощью клапанов, чтобы создать воздушную кольцевую подушку. Втягивая воздух с верхней поверхности диска, эффект Коанде должен помочь удержать его на высоте, увеличивая подушку внизу и создавая частичный вакуум сверху. По сути диск превращается в замкнутое циркуляционное крыло: постоянная циркуляция воздуха вокруг обода генерирует подъемную силу в соответствии с теоремой Жуковского.
Иллюстрация эффекта Коанда. Изображение: freepik
Вихри могут играть двойную роль. С одной стороны, гироскопический эффект: если диск обеспечить опоясывающим его кольцевым вихрем (например, потоком воздуха, движущегося по кругу вдоль обода, аналогично дыму в тороидальном вихре), то по закону сохранения момента импульса этот поток будет оказывать определенное стабилизирующее действие (а аналогично к вращению фрисби).
Кстати, фрисби во время полета требует быстрого вращения вокруг своей оси, чтобы оставаться стабильным в воздухе. Именно это вращение создает гироскопический момент, сопротивляющийся изменению ориентации диска, сохраняя его положение стабильным. Без вращения фрисби, как и любой плоский диск, быстро потеряет устойчивость: даже небольшое возмущение приведет к опрокидыванию или резкому завалу на бок. Гироскопический эффект превращает это возмущение не в переворачивание, а в медленную прецессию — плавное вращение плоскости диска, не выводя его из полета. Поэтому фрисби бросают с высокой угловой скоростью: чем быстрее он вращается, тем стабильнее держит курс. Этот принцип также объясняет, почему пилотируемые дискообразные аппараты не могут вращаться полностью как фрисби — вращение корпуса было бы опасно для экипажа внутри и непригодно для управления, поэтому стабилизации приходится достигать другими путями.
С другой стороны, локальные вихри (вроде краевых вихрей крыльев) могут противодействовать срыву потока: если край диска оборудовать специальными закрылками или щелями, возбуждающими контролируемые вихри при больших углах атаки, то эти вихри способны поддерживать подъемную силу и откладывать полный срыв. Такие подходы исследовались в концепциях активной циркуляционной локальной управляемости: например, установка маленьких выступов или сопел по периметру диска, генерирующих вихревые нити для стабилизации.
Таким образом, комбинируя эффект Коанда (для создания глобальной циркуляции вокруг диска) и управляемые вихри (для демпфирования колебаний и предотвращения срыва), можно теоретически достичь стабильного обтекания дисковидного аппарата. Проект Роя, который мы подробно рассматривали здесь, фактически использует эти принципы: многочисленные плазменные микроструи по всей поверхности создают однородный скользящий слой воздуха, который прилипает к корпусу и огибает диск, образуя таким образом управляемую циркуляцию. При отклонении аппарата от горизонтали электроника изменяет распределение ионной струи, генерируя нужные вихри для противодействия наклону и выравниванию положения. Интересно, что в интервью Рой отмечал: его плазменный диск может автоматически стабилизироваться против порывов ветра благодаря активно управляемым потокам. Это демонстрирует действенность идеи — искусственно созданные циркуляционные потоки могут придать дискообразному аппарату устойчивость, которую невозможно было бы достичь пассивно.
Возможность создания искусственных циркуляционных потоков
Создание устойчивой циркуляции воздуха вокруг диска — ключ к реализации «летающей тарелки». Есть несколько способов это сделать.
Механический (реактивный) способ. Оснастить диск центральным вентилятором или турбиной, которая будет впитывать воздух сверху и выбрасывать под высоким давлением по периметру. Эта струя направляется вдоль нижней или верхней поверхности (или расщепляется на обе) и огибает диск за счет эффекта Коанда. Так это реализовано в Avrocar (центральный турборатор и периферическое сопло) и в более ранних концепциях Коанды. Проблема — очень высокое требование к мощности двигателя, ведь, чтобы удержать аппарат, приходится прогонять огромную массу воздуха через систему. К тому же механические турбины обладают инерцией и не обеспечивают мгновенного изменения режима, что затрудняет динамическую стабилизацию.
Аэродинамический способ (пассивная циркуляция). Придать самому диску такую форму, которая бы естественно поддерживала циркуляцию. К примеру, верхняя поверхность — куполообразная, а по краю — изогнутый профиль, способствующий образованию зоны разрежения. Если рассчитать центр масс и форму правильно, диск при скольжении вперед может сам затягивать сверху поток и отклонять его вниз по бокам, создавая циркуляцию подобно крылу. Но пассивная циркуляция будет очень чувствительна к режиму полета и нагрузки — маловероятно, что без активных элементов диск будет оставаться стабильным в разных условиях (ветер, маневр и т.п.).
Энергетический (плазменный) способ. Как в проекте Роя, использовать электрический разряд, чтобы ускорять воздух вдоль поверхности. Плазменные аккуаторы (диэлектрический барьерный разряд, DBD) могут, грубо говоря, «заставить» предельный слой воздуха течь вдоль поверхности даже тогда, когда обычно произошел бы срыв. Так создается искусственный поток, независимый от потока. Для небольших аппаратов такой метод работает, но его масштабирование ограничено: плазменные устройства эффективны на малых скоростях и плотность генерируемой ими силы пока невелика. Однако преимущество — сверхбыстрая реакция (микросекунды) и полное отсутствие механики. Можно синхронизировать множество таких микроджетов, создавая нужную циркуляцию с миллиметровой точностью.
Вихревые двигатели. Это более экзотический путь: использовать принцип вихревой камеры — внутри диска раскрутить воздух до состояния тороидального вихря, частично выходящего из отверстий наружу. Например, известное экспериментальное устройство Repulsine (изобретение Виктора Шаубергера) генерировало сильный вихрь, что, по некоторым утверждениям, могло облегчать вес объекта. Хотя антигравитационные свойства — это скорее область псевдонауки, сам принцип выпуска мощных вихревых колец может дать подъемную силу и интересный эффект. Вихревые кольца, выстреливаемые вниз, отталкивают аппарат вверх (реактивный принцип), а при этом стабилизируют его как гироскоп.
Современные исследования идут по пути комбинации этих методов. Например, ADIFO использует механические винты для VTOL, а реактивные струи для движения, совмещая их для управления. Можно представить и другой микс: диск с небольшими вентиляторными секторами по кругу, каждый из которых может независимо менять тягу и создавать локальную циркуляцию — таким образом система управления получила бы «элементы руля». В общем, искусственная циркуляция — это сердце летающего диска, и теоретически при достаточной энергии и быстродействии управляющих систем она может обеспечить стабильный полет.
Теоретически дискообразный аппарат можно стабилизировать, используя активное управление потоком — эффект Коанда, искусственно созданные вихри, дифференциальную тягу или плазменные струи. Но реализация этих идей на практике требует передовых технологий, еще не до конца освоенных. Есть ли среди современных технологий те, что могут помочь сделать летающие тарелки реальностью? Посмотрим в следующем тексте серии, какие инженерные решения могут использоваться для создания настоящего НЛО.
