Пограничный слой - путь уменьшения сопротивления

on 29 November 2009.

 

 

Движение тела в среде – будь то самолет или корабль - интереснейшая тема.

Казалось бы, что все известно, все рассчитано, находок новых просто не может быть. Теории красивы и замучены наворотами формул.

А затем появляется новое крыло, новый профиль судна, новый винт (однажды при плановом провороте винта советского корабля в Англии погиб знаменитейший разведчик – выяснял профиль винта. Были высказаны соболезнования), новая турбина. И новое «уточнение» позволяет сделать еще один шаг вперед, возрастает подъемная сила, уменьшаются энергозатраты, возрастает мощность.

Есть некоторые факты, позволяющие предполагать, что будут сделаны шаги не только в поисках форм и профилей, но и в способах влияния на среду, в которой движется тело.

 

Известно из теории и практики магнитогидродинамических генераторов, что достаточно 1-2% легкоионизируемой добавки в горячий газ, чтобы управлять всем его объемом магнитным и электрическим полями.

Известно, что в асинхронном двигателе достаточно и нескольких процентов проводника, чтобы двигать громадную присоединенную массу ротора.

Известно, что доли процента некоторых веществ качественно изменяют поверхностное натяжение в жидкостях.

Известен эффект аномально низкого трения. В условиях вакуума и (предпочтительно) отжига поверхностей трение может упасть на порядок, если облучить поверхности альфа частицами. Удаление адсорбированного на поверхности испытуемых образцов слоя газов (большое значение имеют полярные молекулы воды) оказывает колоссальное влияние на трение. Массовая доля адсорбированных веществ смехотворно мала, практически неопределима – пусть миллионные доли процента. Но то, что вместо них на поверхности появляется гелий (следы его!), меняет трение так фантастически, что когда-то это было зафиксировано как открытие. Пытались даже приписать этому явлению как и сверхпроводимости квантовый корень.

Известно, что вещества имеют различные адсорбционные свойства. Свойства веществ притягивать к себе молекулы газов могут различаться на порядок. Для многих веществ есть «особо любимые» газы. И процессом адсорбции можно управлять электрически (См. ст. Электроадсорбция).

Можно также выбирать материал для поглощения того или иного газа. А можно выбирать газ как предварительный наполнитель адсорбционной подушки (слоя).

Представьте себе два совершенно одинаковых крыла.

Вариант первый. Крылья из одного материала. Технология изготовления одного крыла включала отжиг в вакуумной камере и принудительную адсорбцию газа, дающего меньшее трение с воздухом, чем самостоятельно адсорбировавшиеся на другом крыле кислород и вода из атмосферы.

Вариант второй. Крылья из одного материала, но одно покрыто тонким слоем вещества, имеющего сродство с кислородом и водой на порядок меньше, чем у другого. (Азот инертен, плохо адсорбируем).

Вариант третий. Крылья из разных материалов, причем сродство с воздухом поверхности одного на порядок меньше, чем у другого.

Очевидно, что материал для крыльев обсуждению не подлежит – технологии разработаны. Адсорбция искусственная вещества после отжига со временем будет пропадать, заменяться атмосферной. Поэтому  способ нанесения покрытия представляется перспективным.

Если мы признаем, что движение крыла в среде, например, гелия, будет сопровождаться меньшим сопротивлением, чем в воздухе, то тогда нетрудно признать, что сопротивление крыла в воздухе при замене пограничного слоя гелиевым будет практически таким, как и в гелиевой среде.

Причем, что бы не говорилось о величине пограничного слоя в справочниках, поверим, что он ничтожен (доли сантиметра, миллиметр). Например, замена заводской краски на "Дугласах" на то, что подворачивалось под руку, приводило к резкому падению скорости (свидетельство очевидцев).

Следовательно, перспективным представляется и путь замены воздушного (природно атмосферного) пограничного слоя искусственным.

То есть, если в передней кромке крыла находятся форсунки, распыляющие гелий на плоскости (верхнюю или нижнюю? Верхнюю! И нижнюю…), то сопротивление уменьшится и качество крыла возрастет.

Коль скоро и одного процента ионов в воздушном потоке хватает, чтобы качественно влиять на весь набегающий поток магнитными и электрическими полями, то, следовательно, поток необходимо ионизировать.

Можно ионизировать воздух мощными кварцевыми ультрафиолетовыми лампами, расположенными, опять-таки на передней кромке крыла. Можно радиоактивными источниками (плохо!). Можно лучом ультрафиолетового лазера вдоль кромки крыла. Можно ввести в гелий добавку цезия, натрия, бария, калия, которые и так не помнят, когда были нейтралами…

Чтобы управлять движущимися вместе с набегающим потоком ионами, проще всего создать магнитное поле.(Это совершенно, конечно, не значит, что мы пренебрегаем электрическим полем и не хотим создать магнитогидродинамический насос. Дело тоже неплохое. Но проще, проще, движемся к готовым конструкциям).

Чего мы хотим добиться?

Создание большей подъемной силы, уменьшение сопротивления среды.

Большей скорости обтекания потока верхней поверхности (не подпор на нижнюю, а уменьшение давления на верхнюю играет главенствующую роль).

Уменьшение вихреобразования, турбулентности, создание классических ламинарных потоков. При таких потоках в идеале сопротивления вообще не будет (в теории).

Следовательно, должно быть движущееся (бегущее) магнитное поле.Оно потянет проводник (ионы) и прикрепленную к ним болванку (набегающий поток) в нужном направлении. Линейный асинхронный двигатель. Такой двигатель давным-давно до нас создали умные люди.

Разместим под верхней поверхностью крыла трехфазную (а можно и десятифазную (сто!)– ведь это эскизный проект - причем, чем выше частота, тем меньше железа, тем меньше масса) обмотку. Предпочтительно ее необходимо вложить, конечно, в ферромагнетик (статор) - тогда мы усилим магнитное поле. Подадим на нее переменное напряжение, создадим бегущее поле. От передней кромки к задней.

Дальше можно по тексту по какому-нибудь учебнику «Асинхронные двигатели». …Короткозамкнутый ротор во вращающемся магнитном поле приходит в движение с некоторым запаздыванием (принятый термин - скольжение) от магнитного поля…

Маленький нюанс.

Необходимо, кроме всего прочего, прижать к себе проводящий слой вместе с болванкой (набегающим потоком). Поэтому ионизируемые добавки должны иметь предпочтительно ферромагнитные свойства.

Итак, как бы Автор провел экспертизу собственных высказываний.

Для начала он таки испытал бы совершенно аналогичные крылья из разных материалов, произвел выбор материала с наименьшим сродством с воздухом, то есть с наименьшим сопротивлением при всех прочих равных условиях (чистота обработки – это главный фактор). В этом опыте не форма, а материал есть главенствующий фактор.

Затем лучший (выбранный) материал он нанес (бы) на крыло из широко применяемого материала и выяснил необходимую толщину слоя (есть у Автора мнение, что влияние атомов распространяется несколько больше, чем напыление на Цейссовскую оптику).

Затем он установит форсунки для подачи гелия (а. может, быть и другого газа) на передней кромке крыла. Проанализирует лучшее расположение форсунок. Поле исследований громадное. Как и поверхность крыла.

Затем он выяснит необходимую скорость превышения магнитного бегущего поля над набегающим потоком.

Затем он установит ионизаторы на передней кромке крыла, чтобы иметь ионы, которыми собирается управлять.

Затем он установит высокочастотную систему внутри крыла для создания бегущего магнитного поля и проверит, как именно воздух при данных скоростях при данном ионизаторе себя ведет. Причем на разных высотах, то есть при разных давлениях и концентрациях  атмосферных газов.

Затем подаст ионизируемую добавку. И опять проверит количество и качество.

Причем частота напряжения будет такова, что железа практически не потребуется. А редкоземельный элемент будет ферромагнитным. А крыло останется легким. Поэтому систему антиобледенения можно будет (предположительно) снять).

Именно поля теперь будут создавать профиль крыла. Виртуальное, визуально не определяемое крыло, динамически изменяющееся в зависимости от режима работы и нашего желания. Причем это виртуальное крыло может работать не только в режиме ускорения потока, но и в режиме тормоза, если поменять направление бегущего поля.

Затем он все это сложит, подумает и скажет: это кто-то уже, наверное, сотворил. Старо, как мир. Создано где-то, работает, потому что не может не работать…Тот, кто умней людей и ...

А тем, кто натирает тело или байдарку мазью по старушечьим рецептам, скажем так.

Водоотталкивающая мазь? Нет. Вихри имеете на каждом сантиметре (миллиметре) поверхности.

Или гель, изменяющая рядом с вами поверхностное натяжение на порядок?

Поймай мыло в воде. Налима. Щуку. Угря. Обволоки себя чем-то, что резко снизит сопротивление воды. Измени  (уменьш!) поверхностное натяжение. Увеличь скользкость.

Теплее плавать, покрытым жиром. Поэтому и натираются жиром, когда совершают побег. Это да. Все без исключения ищут водоотталкивающую мазь.

Неверно!

А создание ламинарного потока? Только, когда тебя обтянет жидкостью, они создадутся. Кожа дельфина, слизь рыб. Искать есть где и где есть.

Вывод.

Быстрее будет, наверное, сейчас в мыле, в геле, размываемом водой, резко изменяющем поверхностное натяжение.

Размоет? Да!

Как у щуки. Потери огромные, но потому она и хищник. Работает ударно, рывком, очень быстро. Она сбросит нечто при атаке в воду, она это сбрасывает где-то перед собой или всем телом в воду, что резко увеличивает ее скорость. Или ее слизь постоянно обладает таким свойством (тогда потери, быть может, и крайне минимальны). Можно неделями как карп, карась или толстолобик жевать траву, иметь длинный кишечник для переваривания. А можно сто раз промахнуться, но сожрать-таки этого карася и не иметь ни кишечника, ни забот по перевариванию растительной пищи.

Да и потери-то малы. Достаточно сотых долей процента в пограничном слое, чтобы резко изменить сопротивление. Тем более, Автор утверждает, что пограничный слой ничтожен – миллиметр от силы.

От того, что рыбья слизь не «Шанель №5» еще не значит, что она не эффективна.

Что самолет, что хищник - это высокоскоростная система. Можно барражировать, как немецкая «рама» над объектом, а затем дать «подачу» и стать истребителем. Потери мизерные. Именно моментное применение, очевидно, наиболее перспективно. Взлет, ускорение, уход от противника.

Вопросы о загрязнении бассейна? Да!

Вот когда эти вопросы поставят, тогда и будем решать. По мере поступления.

Как и вопрос о переливании крови (как собственной, так и донора) перед соревнованиями, как и вопрос о тренировках в условиях высокогорья… О половых связях женщин - спортсменок… О половом воздержании мужчин…

Опыты, опыты, опыты…