Історія створення дископодібних літальних апаратів показала, що їхня головна проблема — не відсутність технологій, а сама форма. Диск симетричний, не має традиційного хвостового оперення і крил, а отже, не володіє природною стабільністю в польоті. Як поводиться потік повітря навколо такого корпусу? Чому літак із крилами стабільний, а тарілка — ні? І чому навіть використання повітряної подушки або ефекту Коанда не допомогло зробити Avrocar керованим? У цій частині серії «Як створити НЛО» ми розглянемо ключові аеродинамічні проблеми, які не дозволяють таким апаратам ефективно літати.
Чому дископодібні апарати такі вперті до реалізації?
Головні труднощі полягають в їхній аеродинаміці та стабільності. Класичний літак має подовжене крило і хвіст саме для того, щоб забезпечити стійкість і керованість. Диск же за своєю формою симетричний у плані та не має вираженого хвостового оперення чи кіля. Це призводить до кількох проблем:
Статична нестабільність. Для стійкого польоту центр мас літака має бути перед центром підйомної сили. У диска дуже складно досягти такого балансу, бо за найменшої зміни кута атаки* точка прикладання підйомної сили зміщується. Без спеціальних заходів диск буде схильний раптово «перекидатися» вперед або назад. Простіше кажучи, дископодібне крило є аеродинамічно неврівноваженим. Коли ви кидаєте фрізбі без обертання, можна побачити цю проблему — тарілка одразу крениться або завалюється носом. Саме тому фрізбі треба надавати швидкого обертання: гіроскопічний момент стабілізує його та переводить небезпечне перекидання у плавну прецесію**. Звісно, для пілотованого апарата обертання всього корпусу як у фрізбі — не варіант (пілота би просто «закрутило»), тож слід шукати інших шляхів стабілізації.
*Кут атаки — це кут між напрямком потоку повітря та крилом літака.
**Прецесія — це явище під час якого вісь обертання об’єкта змінює свій напрямок, але сам об’єкт продовжує обертатися. Основа роботи гіроскопа.
Відсутність традиційного керування. У звичайному літаку керування по тангажу, крену і курсу здійснюється рулями висоти, елеронами, кермом напрямку — поверхнями, що відхиляють потік. У диска немає чітко визначеної передньої кромки й хвоста, тож розмістити такі поверхні важко. Можна, звісно, додати невеликі закрилки чи заслонки по краях, але їхня ефективність буде меншою через коротке плече відносно центру мас. Avrocar, наприклад, керувався в режимі висіння відхиленням потоків із периферичних сопел — тобто фактично змінюючи форму повітряної подушки. Для контролю крену в нього були диференційні заслонки в потоці, але точність такого керування залишала бажати кращого. На високих швидкостях розробники планували використати диференційну тягу двигунів і невеликі закрилки, але не встигли довести систему до ладу. Без активної системи стабілізації диск може обертатися та ковзати неконтрольовано, особливо під впливом поривів вітру чи турбулентності.
Особливості обтікання повітря. Диск — це крило дуже малої подовжньої довжини (aspect ratio* ~1 або менше). Теоретично плоский диск за певного кута атаки може створювати підйомну силу, як і звичайне крило (адже принцип Бернуллі та поворот потоку діють для будь-якого профілю). Але плоский таріль має низький аеродинамічний якісний коефіцієнт. На малих кутах атаки він генерує незначну підйомну силу, а на великих — швидко зривається потік (стає турбулентним над верхньою поверхнею) і взагалі втрачає підйом. І хоча є дані, що кругле крило може мати високий максимальний кут атаки завдяки симетричному зриву по колу (деякі експерименти показували можливість стійкого обтікання диска на кутах ~30° за рахунок тороїдального вихора над ним), все ж забезпечити стійку підйомну силу на широкому діапазоні швидкостей важко. Крім того, диск має значний лобовий опір у прямому польоті: велика площа поперечного перерізу гальмує апарат, особливо на високих швидкостях. У Avrocar, наприклад, розрахункова максимальна швидкість сильно зменшується при врахуванні реальних аеродинамічних втрат — зрозуміло, що про заявлені 1500 mph (2400 км/год) не йшлося. Отже, недостатнє підйомне співвідношення і велике паразитне гальмування — суттєві проблеми форми диска.
* Aspect ratio — це співвідношення ширини до довжини, наприклад, для літального апарата високе aspect ratio означає (довгі та вузькі крила, як у планерів) — більше підйомної сили, краща ефективність. Низьке aspect ratio (короткі та широкі крила, як у винищувачів) –— більша маневреність.
** Тороїдальний вихор — це кільцеподібний потік повітря або рідини, що обертається навколо порожнього центру, схожий на димове кільце.
Примхливість повітряної подушки. Багато дископодібних проєктів (Avrocar, Coanda-1910 та інші) покладалися на створення під собою повітряної подушки або кільцевого струменя для висіння. Але така схема стабільна лише на дуже малих висотах над землею (в межах половини діаметра диска). Щойно апарат піднімається вище, «подушка» починає втрачати форму, симетрія порушується і диск завалюється. У випробуваннях Avrocar з’ясувалося, що реактивна подушка ставала все більш нестабільною на висоті понад 1 метр (кілька футів). Це означало, що апарат не міг впевнено перейти з режиму підйому на режим польоту — на проміжних висотах він ставав неконтрольованим. Подолати це намагалися збільшенням потужності струменя та модифікаціями конструкції, але повністю проблему не розв’язали.
У підсумку дископодібні ЛА поєднують у собі труднощі фактично «безхвостого» літака з надкоротким крилом. Без застосування спеціальних рішень такий апарат буде або нестабільним, або малоефективним. Далі розглянемо, які теоретичні та інженерні підходи можуть забезпечити стабільний політ «тарілки».
Винищувач «Міраж III», виконаний за схемою «Безхвостка»
Дископодібний літальний апарат стикається із цілим комплексом проблем: низькою підйомною силою, великою чутливістю до поривів вітру, складністю керування та високим аеродинамічним опором. Проте деякі експерименти показали, що за певних умов тарілкоподібна форма все ж може бути стабілізована — за допомогою вихрових потоків, ефекту Коанда чи активного керування потоком. Чи можна використати ці ефекти, щоб створити стабільний диск, здатний триматися в повітрі та маневрувати? Далі розглянемо теоретичні рішення, які дозволяють це зробити.
Ключ до побудови робочої літаючої тарілки
Традиційні принципи аеродинаміки не підходять для тарілкоподібних літальних апаратів. Але чи можна обійти ці обмеження, використовуючи нестандартні підходи? Теоретично, якщо правильно організувати циркуляцію повітря навколо диска, він може отримати додаткову підйомну силу та стати стабільним. Дельта-крила використовують крайові вихори для збільшення підйомної сили — можливо, подібний підхід працюватиме і для диска? А що, як використати керовані повітряні струмені чи плазмові генератори потоків? Тож розглянемо розрахунки та моделі, які можуть допомогти стабілізувати політ дископодібного апарата.
Розрахунок підйомної сили для диска
Перший крок — оцінити, яку підйомну силу може забезпечити дископодібне крило. Для будь-якого літального апарата в аеродинаміці діє стандартна формула підйому:
де L — підйомна сила, ρ — щільність повітря, v — швидкість потоку (набігаючого повітря відносно апарата), S — площа крила (у випадку диска S = πR2), а CL — коефіцієнт підйому, що залежить від форми та кута атаки.
Ця формула справедлива і для крил-дисків. Наприклад, плоский диск радіусом 5 м має площу S=78,5 m2. Якщо він летить горизонтально зі швидкістю v=100 м/c (≈360 км/год) під невеликим кутом атаки, й коефіцієнт підйому на цьому куті становить, припустимо, CL= 0.5 (досить оптимістично для плоского диска), то підйомна сила складатиме:
тобто близько 1,2 тонни сили. Цього недостатньо, щоб утримати такий апарат у повітрі, якщо він важитиме більше (а 10-метровий диск із силовою установкою і паливом може важити значно більше ніж 1 тонна). Отже, для створення достатньої підйомної сили диск потребує або великої швидкості, або збільшення площі, або підвищення коефіцієнта підйому (наприклад, за рахунок вигнутого профілю чи примусової циркуляції повітря).
Особливості коефіцієнта підйому CL для дископодібного крила. У тонкого профілю (наприклад, плоскої пластини) в 2D-теорії значення CL приблизно лінійно зростає з кутом атаки (в радіанах) до втрати стійкого обтікання. Але для реального 3D-крила скінченного розмаху (тут фактично розмах = діаметр диска) ефективний градієнт менший через кінцеві ефекти (витік повітря з-під країв та утворення кінцевих вихорів). Диск має дуже низьке подовження, тому його максимальні CL обмежені. Однак експериментально спостерігалося, що диск може генерувати підйом і на великих кутах, формуючи при цьому над собою стійкі вихрові структури. Ці вихори здатні «підсмоктувати» повітря до верхньої поверхні, підтримуючи зниження тиску (подібно до того, як дельта-планер або птахи з розкритими крилами на великих кутах створюють крайові вихори на кінцях крил, що тримають потік). Таким чином, з аеродинамічної точки зору, диск може отримувати підйомну силу двома шляхами: класичним (за рахунок різниці тиску через обтікання профілю) та вихровим «ліфтингом» (коли вихор над диском діє як динамічне «псевдокрило»).
Стабілізація вихорами та ефектом Коанда
Одним із методів стабілізації дископодібного апарата є цілеспрямоване використання вихорів і ефекту Коанда для керування потоком. Ефект Коанда полягає в тому, що струмінь рідини або газу прагне притиснутися до поверхні й слідувати за нею. У контексті літаючої тарілки це означає, що якщо вздовж поверхні диска пустити потужний струмінь повітря (наприклад, від центру до краю згори), він «обтікатиме» верхню напівсферичну частину і загинатиметься вниз по боках, створюючи область зниженого тиску над диском і відхиляючи потік вниз навколо нього. Це водночас дасть підйомну силу (за рахунок розрідження згори й відхилення реактивного струменя вниз) та потенційно стабілізує апарат, адже потік симетрично обтікає його. Саме таку ідею намагалися реалізувати в Avrocar — потік мав бути вигнутий вниз за допомогою клапанів, щоб створити кільцеву повітряну подушку. Втягуючи повітря з верхньої поверхні диска, ефект Коанде мав допомогти утримати його на висоті, збільшуючи подушку внизу та створюючи частковий вакуум зверху. По суті, диск перетворюється на замкнуте циркуляційне крило: постійна циркуляція повітря навколо ободу генерує підйомну силу відповідно до теореми Жуковського.
Вихори можуть відігравати подвійну роль. З одного боку, гіроскопічний ефект: якщо диск забезпечити опоясуючим його кільцевим вихором (наприклад, потоком повітря, що рухається по колу вздовж ободу, аналогічно диму в тороїдальному вихорі), то за законом збереження моменту імпульсу цей потік матиме певну стабілізуючу дію (аналогічно до обертання фрізбі, але вже не цілим корпусом, а лише повітряним кільцем).
До речі, фрізбі під час польоту потребує швидкого обертання навколо власної осі, щоб залишатися стабільним у повітрі. Саме це обертання створює гіроскопічний момент, який чинить опір зміні орієнтації диска, зберігаючи його положення стабільним. Без обертання фрізбі, як і будь-який плоский диск, швидко втратить стійкість: навіть невелике збурення призведе до перекидання або різкого завалу на бік. Гіроскопічний ефект перетворює це збурення не у перевертання, а у повільну прецесію — плавне обертання площини диска, що не виводить його з польоту. Саме тому фрізбі кидають з високою кутовою швидкістю: чим швидше він обертається, тим стабільніше тримає курс. Цей принцип також пояснює, чому пілотовані дископодібні апарати не можуть обертатися цілком як фрізбі — обертання корпусу було б небезпечним для екіпажу всередині й непридатним для керування, тож стабілізації доводиться досягати іншими шляхами.
З іншого боку, локальні вихори (на кшталт крайових вихорів крил) можуть протидіяти зриву потоку: якщо край диска обладнати спеціальними закрилками або щілинами, які збуджують контрольовані вихори при великих кутах атаки, то ці вихори здатні підтримувати підйомну силу і відкладати повний зрив. Такі підходи досліджувалися в концепціях активної циркуляційної локальної керованості: наприклад, встановлення маленьких виступів або сопел по периметру диска, що генерують вихрові нитки для стабілізації.
Отже, комбінуючи ефект Коанда (для створення глобальної циркуляції навколо диска) та керовані вихори (для демпфування коливань і запобігання зриву), можна теоретично досягти стабільного обтікання дископодібного апарата. Проєкт Роя, який ми детально розглядали ось тут, фактично використовує ці принципи: численні плазмові мікрострумені по всій поверхні створюють однорідний ковзаючий шар повітря, який прилипає до корпусу й огинає диск, утворюючи таким чином керовану циркуляцію. При відхиленні апарата від горизонталі електроніка змінює розподіл іонного струменя, генеруючи потрібні вихори для протидії нахилу і вирівнювання положення. Цікаво, що в інтерв’ю Рой зазначав: його плазмовий диск може автоматично стабілізуватися проти поривів вітру саме завдяки активно керованим потокам. Це демонструє дієвість ідеї — штучно створені циркуляційні потоки можуть надати дископодібному апарату стійкості, яку неможливо було б досягти пасивно.
Можливість створення штучних циркуляційних потоків
Створення стійкої циркуляції повітря навколо диска — ключ до реалізації «літаючої тарілки». Існує кілька способів це зробити.
Механічний (реактивний) спосіб. Оснастити диск центральним вентилятором або турбіною, яка буде всмоктувати повітря зверху і викидатиме під високим тиском по периметру. Цей струмінь направляється вздовж нижньої або верхньої поверхні (або розщеплюється на обидві) й огинає диск за рахунок ефекту Коанда. Так це реалізовано в Avrocar (центральний турборотор і периферичне сопло) і в більш ранніх концепціях Коанди. Проблема — дуже висока вимога до потужності двигуна, адже, щоб утримати апарат, доводиться проганяти величезну масу повітря через систему. До того ж механічні турбіни мають інерцію і не забезпечують миттєвої зміни режиму, що ускладнює динамічну стабілізацію.
Аеродинамічний спосіб (пасивна циркуляція). Надати самому диску такої форми, яка б природно підтримувала циркуляцію. Наприклад, верхня поверхня — куполоподібна, а по краю — вигнутий профіль, що сприяє утворенню зони розрідження. Якщо розрахувати центр мас і форму правильно, диск при ковзанні вперед може сам затягувати потік зверху і відхиляти його вниз по боках, створюючи циркуляцію подібно до крила. Але пасивна циркуляція буде дуже чутливою до режиму польоту і навантаження — малоймовірно, що без активних елементів диск залишатиметься стабільним у різних умовах (вітер, маневр тощо).
Енергетичний (плазмовий) спосіб. Як у проєкті Роя — використовувати електричний розряд, щоб прискорювати повітря вздовж поверхні. Плазмові акуатори (діелектричний бар’єрний розряд, DBD) можуть, грубо кажучи, «примусити» граничний шар повітря текти уздовж поверхні навіть тоді, коли звичайно стався б зрив. Так створюється штучний потік, незалежний від набіжного потоку. Для невеликих апаратів такий метод працює, але його масштабування обмежене: плазмові пристрої ефективні на малих швидкостях і густина сили, яку вони генерують, поки невелика. Однак перевага — надшвидка реакція (мікросекунди) та повна відсутність механіки. Можна синхронізувати безліч таких мікроджетів, створюючи потрібну циркуляцію з міліметровою точністю.
Вихрові двигуни. Це більш екзотичний шлях: використати принцип вихрової камери — всередині диска розкрутити повітря до стану тороїдального вихору, який частково виходитиме з отворів назовні. Наприклад, відомий експериментальний пристрій Repulsine (винахід Віктора Шаубергера) генерував сильний вихор, що, за деякими твердженнями, міг полегшувати вагу об’єкта. Хоча антигравітаційні властивості — це швидше область псевдонауки, сам принцип випуску потужних вихрових кілець може дати підйомну силу і цікавий ефект. Вихрові кільця, вистрілювані вниз, відштовхують апарат вгору (реактивний принцип), а заодно стабілізують його як гіроскоп.
Сучасні дослідження йдуть шляхом комбінації цих методів. Наприклад, ADIFO використовує механічні гвинти для VTOL, а реактивні струмені для руху, поєднуючи їх задля керування. Можна уявити й інший мікс: диск з невеликими вентиляторними секторами по колу, кожен з яких може незалежно змінювати тягу і створювати локальну циркуляцію — таким чином система керування б отримала «елементи керма». Загалом, штучна циркуляція — це серце літаючого диска, і теоретично за достатньої енергії та швидкодії керуючих систем вона може забезпечити стабільний політ.
Теоретично дископодібний апарат можна стабілізувати, використовуючи активне управління потоком — ефект Коанда, штучно створені вихори, диференційну тягу або плазмові струмені. Але реалізація цих ідей на практиці вимагає передових технологій, які ще не до кінця освоєні. Чи є серед сучасних технологій ті, що можуть допомогти зробити «літаючі тарілки» реальністю? Подивимось у наступному тексті серії, які інженерні рішення можуть бути використані для створення справжнього НЛО.
