Летательные и подводные аппараты с машущими движителями

Т. Х. Ахмедов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ И ПОДВОДНЫЕ АППАРАТЫ 
С МАШУЩИМИ ДВИЖИТЕЛЯМИ 
 
Монография 
 
2-е издание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Инфра-Инженерия 
Москва - Вологда 
2018 
1 
 

 
ФЗ 
№436-ФЗ 
Издание не подлежит маркировке  
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1 
 
УДК 533.6  
ББК 39.54  
       А 95 
 
 
Рецензенты: 
заслуженный деятель науки и техники Республики Татарстан, 
доктор технических наук, профессор С.А. Михайлов; 
заслуженный работник высшей школы Российской Федерации, 
доктор физико-математических наук, профессор В.А. Самсонов. 
 
 
 
 
 Ахмедов Т.Х.  
А 95   Летательные и подводные аппараты с машущими движителями.   
Монография /  Т. Х. Ахмедов. - 2-е изд. испр. и доп. -  М.: Инфра- 
Инженерия, 2018. - 292 с. 
           
ISBN 978-5-9729-0185-2 
 
 
 
В книге изложены результаты исследований в области машущих движителей, аналогами которых являются природные объекты - аэробионты (птицы  
и насекомые с быстромашущими крыльями), а также гидробионты (китообразные, рыбы, пингвины и жуки-плавунцы). Рассматриваются принципы действия 
и теоретические основы машущих движителей природных аналогов. Разработаны действующие механические модели аппаратов с машущими движителями. 
Создана расчётная схема, проведён расчёт тяги и мощности быстромашущего 
движителя. Разработаны технические облики беспилотных летательного и подводных аппаратов, а также судов с машущими движителями. 
Полученные результаты могут быть использованы при разработке и проведении оценочных расчётов, например, дистанционно пилотируемого летательного аппарата с быстромашущими крыльями, а также при изучении курса 
«Аэродинамика и теория полёта». Для специалистов соответствующих областей науки и техники, преподавателей, студентов вузов. 
 
 
 
 
 
‹ Ахмедов Т. Х., автор, 2018 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2018 
 
 
ISBN 978-5-9729-0185-2
2 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ....................................................................................................... 6
Словарь терминов 
..............................................................................................9
Введение 
.............................................................................................................10
Глава 1. Обзор теоретических и экспериментальных
исследований машущих движителей аэробионтов ....................................... 12
1.1. Уравнение Эйлера, интегралы  Бернулли и Лагранжа 
....................... 13
1.2. Движение тела в идеальной жидкости, присоединённая масса ........ 14
1.3. Отрывные течения, теория струй ......................................................... 17
1.4. Математическое моделирование вихревых структур при
отрывном обтекании профилей ................................................................... 20
1.5. Теория машущего движителя В.В. Голубева,
основное уравнение машущего движителя 
................................................ 24
1.6. Механическая модель быстромашущего
движителя аэробионтов 
................................................................................ 34
1.7. Результаты экспериментальных исследований кинематики
машущего крыла насекомого из отряда двукрылых,
полученные В. Нахтигалем 
.......................................................................... 36
1.8. Компьютерное моделирование винта вертолёта 
с использованием численного метода дискретных вихрей ...................... 42
Глава 2. Обзор теоретических и экспериментальных исследований
машущих движителей гидробионтов 
.............................................................. 50
2.1. Китообразные и рыбы ............................................................................ 50
2.2. Волнообразный способ плавания животных.
Волновой движитель ..................................................................................... 53
2.3. Теоретические исследования волнового движителя 
........................... 54
2.4. Квазистационарная теория машущего
плавникового движителя .............................................................................. 57
2.5. Экспериментальные исследования машущего крыла 
......................... 60
2.6. Класссификация способов плавания гидробионтов с учётом
направления движения их плавников 
.......................................................... 61
Глава 3. Машущие движители летательных аппаратов
и их природных аналогов. Классификация движителей
аэро- и гидробионтов 
........................................................................................ 66
3.1. Летательные аппараты с машущими крыльями ................................. 66
3.2. Летательный аппарат природных аналогов
с быстромашущими крыльями .................................................................... 72
3.3. Классификация движителей аэро- и гидробионтов 
............................ 77
3

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Глава 4. Механическая модель быстромашущего движителя .................... 86
4.1. Кинематическая схема наклонно-махового способа маховых
движений крыла аэробионта 
........................................................................ 86
4.2. Механическая модель быстромашущего
движителя «Автомат супинации» ................................................................87
4.3. Кинематические параметры цепи зубчатое колесо-водило 
................89
4.4. Кинематические параметры цепи водило-ступица .............................90
4.5. Соотношение кинематических параметров автомата
супинации в I фазе маховых движений крыла 
............................................92
4.6. Соотношение кинематических параметров автомата
супинации во II фазе маховых движений крыла ........................................94
4.7. Соотношение кинематических параметров автомата
супинации в III фазе маховых движений крыла .........................................96
4.8. Соотношение кинематических параметров автомата
супинации в IV фазе маховых движений крыла .........................................98
4.9. Определение линейных и угловых скоростей
и ускорений звеньев автомата супинации 
.................................................100
4.10. Алгоритм расчета кинематических параметров
автомата супинации 
.....................................................................................101
Листинг 1.1. Расчет кинематических параметров
автомата супинции 
.......................................................................................104
Глава 5. Аэродинамика отрывных течений при ускоренных
движениях машущих крыльев ........................................................................110
5.1. Схемы образования вихрей и течений при ускоренном
движении крыльев с различными углами атаки .......................................110
5.2. Расчет эквивалентной тяги и мощности быстромашущего
движителя аэробионта, функционирующего в режиме висения.............121
5.3. Расчет тяги и мощности быстромашущих движителей
летательных аппаратов, функционирующих в режиме висения .............127
Глава 6. Компьютерное моделирование аэродинамических процессов,
происходящих в пограничном слое быстромашущего крыла 
.....................135
6.1. Расчёт кинематических параметров пограничного слоя
быстромашущего крыла ..............................................................................135
6.2. Компьютерное моделирование векторных полей ускорений
на поверхности и в пограничном слое быстромашущего крыла ............142
6.3. Компьютерное моделирование векторных полей скоростей,
возникающих в пограничном слое быстромашущего крыла 
...................149
6.4. Векторные поля инерционных ускорений и скоростей частиц
воздуха в пограничном слое быстромашущего крыла комара ................152
4

ОГЛАВЛЕНИЕ 
6.5. Векторные поля ускорений и скоростей частиц воздуха
в пограничном слое быстромашущего крыла мухи..................................172
6.6. Векторные поля ускорений и скоростей в пограничном
слое крыла энтомоптера при частоте маховых движений
крыльев 30 Гц 
...............................................................................................193
6.7. Векторные поля ускорений и скоростей в пограничном слое
крыла энтомоптера при частоте маховых движений крыльев 21 Гц 
......226
6.8. Инерционные ускорения и скорости частиц воздуха
на задней кромке и разных высотах пограничного 
слоя быстромашущего крыла мухи 
............................................................239
6.9. Анализ результатов математического и компьютерного
моделирования процессов, происходящих в пограничном
слое быстромашущего крыла .....................................................................251
Глава 7. Технические модели, летательные и подводные аппараты
с машущими движителями ............................................................................ 260
Глава 8. Машущие ветряные и водяные двигатели .....................................272
Заключение .....................................................................................................278
Послесловие ....................................................................................................285
Литература ......................................................................................................287
5

ПРЕДИСЛОВИЕ 
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современные транспортные средства - воздушные, наземные и морские - 
достигли высокой степени совершенства. В авиации и судостроении в последние десятилетия произошли существенные изменения: появились беспилотные 
летательные (БЛА) и подводные аппараты. Однако существует противоречие: 
при сравнении по такому параметру, как коэффициент гидроаэродинамического совершенства (кВт
с/тонн), выясняется, что технические объекты значительно уступают биологическим существам [Козлов Л.Ф., 1983].
Кроме того, несмотря на многократные попытки, не созданы летательные 
аппараты, удачно сочетающие достоинства вертолета и самолета: вертикальные взлет и посадку, маневренность, большие дальность и скорость полета. 
В связи с этим при эксплуатации БЛА используются катапульты для старта 
и парашюты для приземления летательных аппаратов. Однако птицами и насекомыми в ходе эволюции освоены и длительный, и маневренный полёты. 
Существует также потребность в патрулировании обширных морских территорий с помощью экономичных беспилотных подводных аппаратов. Поэтому по-прежнему актуальным остаётся вопрос создания летательных и подводных аппаратов с машущими движителями, аналогами которых могли бы 
стать движители аэро- и гидробионтов.
В связи с этим аэро- и гидробионты, а также их машущие движители остаются для учёных и изобретателей объектами для глубоких теоретических 
и экспериментальных исследований, а предметом исследований является 
принцип действия машущих движителей природных объектов. Под принципом действия понимается кинематика маховых движений крыльев и плавников, а также аэрогидродинамические процессы, происходящие около них.
При проведении исследований в качестве природных аналогов выбраны: 
аэробионты - быстромашущие насекомые из отрядов перепончатокрылых 
и двукрылых (пчёлы, осы, мухи, комары), гидробионты (рыбы, китообразные, пингвины).
Научно-техническая проблема заключается в сложности математического 
описания, компьютерного моделирования и экспериментального воспроизведения отрывных вихревых аэро- и гидродинамических процессов, возникающих при функционировании машущих движителей природных объектов. 
Цель проведённых исследований заключалась в изучении и использовании 
принципов действия машущих движителей природных объектов путём создания физических, математических, компьютерных, механических моделей, 
а также проведением экспериментов. 
Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:
Ɣ анализ известных теоретических и экспериментальных работ по машущим движителям;
Ɣ разработка классификаций способов полёта и плавания аэро- и гидробионтов;
6

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Ɣ разработка кинематической и механической моделей быстромашущего
движителя;
Ɣ разработка методики расчёта кинематических параметров звеньев механической модели быстромашущего движителя;
Ɣ экспериментальная разработка физической аэродинамической модели
отрывных вихревых течений около быстромашущего крыла;
Ɣ разработка методик расчёта тяги и мощности быстромашущего движителя;
Ɣ разработка методик математического и компьютерного моделирования
аэродинамических процессов, происходящих в пограничном слое быстромашущего крыла;
Ɣ разработка экспериментальных механических моделей подводных аппаратов с машущими движителями;
Ɣ разработка технического облика перспективных летательных и подводных аппаратов с машущими движителями;
Ɣ разработка машущих ветряных и водяных машущих двигателей.
Теоретическая значимость исследования обоснована тем, что:
Ɣ изучен генезис машущих движителей аэро- и гидробионтов: птиц, насекомых с быстромашущими движителями, пингвинов, дельфинов, жуков-плавунцов - как результат наивысшего эволюционного развития биологических 
объектов;
Ɣ использован комплекс существующих базовых методов теоретических и
экспериментальных способов исследования (математическое, компьютерное 
и экспериментальное моделирование), вносящий вклад в расширение представлений об изучаемых явлениях;
Ɣ аргументированно изложены результаты исследований путём сопоставления полученных автором экспериментальных и расчётных параметров с известными параметрами, характеризующими природные объекты, их движители;
Ɣ разработана методика математического и компьютерного моделирования
аэродинамических процессов, происходящих в пограничном слое быстромашущего крыла и оказывающих существенное влияние на общую картину обтекания крыла, а также механизм создания тяги;
Ɣ экспериментально показано новое физическое явление - создание тяги
отрывными вихрями при ускоренных перемещениях крыльев и плавников на 
закритических углах атаки в импульсном режиме. 
Достоверность результатов исследования заключается в том, что: 
Ɣ путём математического моделирования показано подобие кинематики
машущих крыльев «Автомата супинации» кинематике крыльев быстромашущего насекомого;
Ɣ разработана методика расчёта тяги и мощности быстромашущего движителя, благодаря которой возможно сопоставление энергетических параметров механизма «Автомат супинации» и мышц аэробионтов; 
Ɣ показано совпадение расчётной картины течения в пограничном слое
с геометрией жилкования канавок на крыле природного объекта;
7

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Ɣ показаны подобия кинематики разработанных автором механизмов и их 
природных аналогов.
Практическая значимость проведённых исследований заключается в возможности создания в перспективе летательных и подводных аппаратов с машущими движителями, принцип действия движителей которых будут подобны принципам действий движителей природных аналогов, прошедших в ходе 
длительной эволюции через сито естественного отбора.
Монография предназначена для специалистов в технических областях науки и техники: учёных, преподавателей, студентов технических вузов, изобретателей летательных и подводных аппаратов с машущими движителями.
8

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
Автомат супинации - механизм, обеспечивающий махово-супинационные движения машущих крыльев.
Аэробионты - живые летающие существа (птицы, насекомые).
БЛА - беспилотные летательные аппараты. 
Быстромашущие и медленномашущие движители аэробионтов и летательных аппаратов, которые отличаются кинематикой и относительными частотами маховых движений крыльев. 
Вентилируемый объем - та часть трехмерного пространства, через которую протекает воздух в фазе махово-супинационного движения крыла с осредненной индуктивной скоростью.
Взмах - вращательное движение крыла при его поднятии.
Импульсное поступательное центробежное течение (ИПЦ-течение) - 
импульсное течение, возникающее в фазе махово-супинационного движения 
машущего крыла.
Мах - вращательное движение крыла при его опускании.
Наклонно-маховый способ совершения движений крыльями в наклонной 
плоскости -  способ, при котором в фазе маха, опускаясь и супинируя, крылья перемещаются сзади - сверху  вперёд - вниз. Используется аэробионтами 
преимущественно при перемещениях в вертикальном направлении, зависании,  приземлении.
Поперечно-маховый способ совершения маховых движений - способ создания тяги, при котором крылья в фазе маха, опускаясь спереди - сверху, 
пронируют и отводятся назад. Используется аэро- и гидробионтами преимущественно при перемещениях в горизонтальном направлении.
Пронация - вращательное движение крыла относительно его  задней кромки против часовой стрелки во время опускания крыла.
Супинация - вращательное движение крыла относительно его продольной оси по часовой стрелке во время опускания крыла. 
9

ВВЕДЕНИЕ
Современные транспортные средства - воздушные, наземные и морские - достигли высокой степени совершенства. В то же время живые 
организмы - аэро- и гидробионты остаются   объектом  глубоких  теоретических  исследований  для  учёных, а также для экспериментаторов и  
изобретателей. Объясняется это тем, что в авиации в последние два десятилетия произошли существенные изменения - появились беспилотные 
летательные аппараты (БЛА). 
К настоящему времени, несмотря на многократные попытки, не созданы летательные аппараты, удачно сочетающие в себе достоинства вертолета и самолета - экономичные - вертикальный взлет и посадку, маневренность, большие - дальность и скорость полета. Поскольку эта задача 
не решена ни с помощью воздушного винта, ни с помощью реактивного 
двигателя, остается еще одна возможность - установка на летательные 
аппараты быстромашущих движителей, аналогами которых могут стать 
природные объекты.
Существует также задача патрулирования обширных морских территорий с помощью экономичных беспилотных подводных аппаратов.
В связи с этим по-прежнему актуально изучение принципа действия 
машущих движителей природных аналогов для использования его в технических устройствах.
Цель проведённых исследований заключалась в решении научной 
задачи: раскрытие сущности физических, аэродинамических и механических процессов, характеризующих принципы действия движителей 
природных аналогов для использования их в движителях летательных 
и подводных аппаратов различного назначения.  
В качестве природных аналогов для проведения исследований выбраны: аэробионты - птицы, быстромашущие насекомые из отрядов 
перепончатокрылых и двукрылых, гидробионты - рыбы, китообразные, 
пингвины.
В монографии рассматриваются вопросы, связанные с механикой машущих движителей, моделированием   аэро- и гидродинамических процессов, расчётом тяги и мощности быстромашущего движителя для беспилотного летательного аппарата. Представлены технические модели 
и аппараты с машущими движителями, а также машущие ветряные и водяные двигатели.  
Изложены следующие материалы проведенных исследований: 
‡ Обзор теоретических и экспериментальных исследований машущих 
движителей аэробионтов. 
‡ Обзор теоретических и экспериментальных исследований машущих 
движителей гидробионтов. 
‡ Машущие движители летательных аппаратов и их природные аналоги.  
10