Двигатель внутреннего сгорания – это не только автомобильный двигатель. В авиации уже больше 100 лет ДВС называют поршневым двигателем. И всю первую половину 20-го века поршневые двигатели господствовали в авиации. И именно такие двигатели сегодня установлены на беспилотных летательных аппаратах – БПЛА. Причем, мощности там уже вполне автомобильные – у некоторых 4-цилиндровых образцов мощность превышает 50-60 л.с. Только у них есть одна особенность – вместо трансмиссии и колес у них… воздушный винт. Хотя и трансмиссия в виде понижающего редуктора тоже встречается.
Наиболее распространен сейчас 2-тактный двигатель, который имеет минимальное количество деталей, минимальные габаритные размеры и массу из-за отсутствия газораспределительного механизма. При этом характерно, что за приблизительно 80-90 лет развития такие моторы претерпели серьезные изменения и усовершенствования. Так, продувка цилиндров вместо одноканальной стала многоканальной, управление впуском вместо поршня взял на себя лепестковый клапан, а карбюратор был заменен форсунками электронного впрыска топлива, в некоторых моделях – прямого, непосредственно в цилиндр.
Это серьезно улучшило мощностные характеристики 2-тактных двигателей – удельная мощность отдельных образцов за 80-90 лет выросла в 3-4 и более раз. Соответственно, значительно улучшились показатели экономичности, по которым 2-тактный двигатель вплотную приблизился к 4-тактному.
Вместе с тем, несмотря на то, что традиционные материалы давно уже заменены на современные гораздо более стабильные и прочные армированные синтетические, а системы управления двигателем стали полностью электронными, в конструкции силовой установки БПЛА остался древний элемент, который практически не претерпел никаких изменений – это воздушный винт постоянного шага.
Именно винт сегодня является одним из элементов, тормозящих дальнейшее развитие данной технологии. Так, при изменении скорости полета меняется угол натекания потока на лопасти винта. Но винт «не любит» слишком больших и слишком малых углов – в первом случае двигатель не может вращать «тяжелый» винт и снижает обороты, а во втором, наоборот, может пойти вразнос со слишком «легким» винтом. В обоих случаях тяга винта падает, что делает винт эффективным только в довольно узком диапазоне скоростей. Например, если требуется хорошая тяга для взлета, то максимальная скорость БПЛА вряд ли будет больше 230-250 км/час, а крейсерская и вовсе не превысит 180 км/час.
Некоторые специалисты увидели решение проблемы увеличения скорости полета в применении реактивных двигателей. Но это оказалось проблематично из-за трудностей технического и технологического характера. В результате турбореактивные двигатели пока имеют достаточно ограниченное применение и явно уступают поршневым в дальности полета, а пульсирующие воздушно-реактивные двигатели вообще практически не получили распространения.
Именно это и стало причиной нашей разработки. Стремление к более высокой скорости не обязательно требует перескакивания через целый этап развития поршневой авиации – механизм изменения шага винта. Именно регулирование угла установки лопастей позволяет увеличить скорость полета в 3 и даже в 4 раза на той же самой моторной и технологической базе, используя механизм изменения шага как специальную приставку-бустер.
Однако, чтобы спроектировать такой механизм, необходимо рссчитать силы, лействующие в полете на лопасти и сам механизм. То есть, фактически надо рассчитать винт — найти его диаметр, угол лопастей (шаг), силу тяги, мощность на привод. И все это в заданном диапазоне скоростей.
Сказано – сделано. Мы подключили к работе искусственный интеллект в лице ChatGPT и совместными усилиями создали алгоритм и программу расчета винта, которую назвали EngPDrive – двигатель-винт-привод. С помощью программы, имея характеристики своего двигателя, можно получить параметры своего воздушного винта в проектировочном режиме расчета программы. А потом можно проверить этот винт в виртуальном полете, с помощью так называемого прямого режима расчета, в котором винт проверяется при разных скоростях полета.
Таких или аналогичных программ на сегодня в мире не существует. У нас сейчас единственное место, где в течение 15 секунд можно выяснить, какой диаметр и шаг винта, а также редуктор требуется конкретному двигателю для достижения максимальной тяги в заданном диапазоне скоростей полета.
Учитывая актуальность темы, на следующим этапе нашей разработки программа будет дополнена алгоритмами проектирования БПЛА с определением взлетной массы, размеров и масс элементов, запаса топлива на борту и моделирования полета. Заключительным алгоритмом будет проектирование механизма изменения шага винта. Большинство этих алгоритмов будут доступны в будущем (хотя они уже отлажены, требуется время на размещение и адоптацию программ на сайте), сегодня уже можно начать с воздушного винта и редуктора. Для этого мы разместили программу расчета винта на нашем сайте https://pulsejet-sim.com, и приглашаем всех желающих…