Почему эффект двухконтурности не работает на рекордных скоростях #

В обсуждениях рекордов скорости беспилотных воздушных судов регулярно предлагается установить на двигатели кольцевые обечайки и получить прирост тяги от пятнадцати до двадцати пяти процентов. Ниже разобрано, почему этот эффект действует при висении и исчезает на скоростях порядка семисот километров в час.

1. Откуда возникла идея и что в ней верно

Рекорд скорости среди беспилотных воздушных судов (БВС) мультироторной схемы с батарейным питанием обновлялся в 2025–2026 годах несколько раз. В декабре 2025 года австралийская команда под руководством Бена Биггса показала результат 626 км/ч. Через несколько дней южноафриканская команда Майка и Люка Беллов улучшила его до 657,59 км/ч, и этот результат был зарегистрирован в Книге рекордов Гиннесса. В феврале 2026 года австралийская команда вернула лидерство с результатом 661 км/ч, а в мае 2026 года достигла 685 км/ч; последний результат официальной регистрации не имеет.

На фоне этой конкуренции в сообществах распространено утверждение, что участники не используют более простой способ повышения скорости. Предлагается установить на двигатели вторую обечайку, чтобы воздушные винты подсасывали воздух в кольцевой канал между обечайкой и корпусом двигателя, и получить дополнительную тягу на разгоне. В качестве обоснования приводится ссылка на авиационную практику: правильно спрофилированный кольцевой обтекатель даёт прирост тяги от пятнадцати до двадцати пяти процентов.

Эффект кольцевого обтекателя реален и изучен. Работает он по трём механизмам. Первый механизм состоит в снижении концевых потерь: обечайка с малым зазором ограничивает перетекание воздуха через конец лопасти с нижней поверхности на верхнюю. Второй механизм состоит в собственной тяге кольца: разрежение у входной губы и повышенное давление у выходного диффузора создают дополнительную силу. Третий механизм состоит в увеличении массового расхода воздуха через диск воздушного винта того же диаметра.

Экспериментальные данные подтверждают порядок величин. Уменьшение относительного зазора между концом лопасти и кольцом с 3,04 % до 1,71 % радиуса увеличило коэффициент полезного действия (КПД) системы канального винта на 17,85 %. При зазоре около 1 % радиуса прирост тяги относительно открытого винта превышал 20 %, а при зазоре 4 % опускался ниже 5 %. Судовая насадка Корта, представляющая собой такое же кольцо, увеличивает упор на швартовах на величину до 30 %, но теряет преимущество при скорости около десяти узлов (18,5 км/ч).

↑ К оглавлению

2. Термины и сокращения

↑ К оглавлению

3. Ключевая зависимость: доля индуктивных потерь

Причина, по которой кольцевой обтекатель помогает на одних режимах и не помогает на других, определяется моментной теорией движителя. Тяга, мощность и индуктивная скорость подсасывания открытого воздушного винта связаны следующими зависимостями:

Здесь \( \rho \) — плотность воздуха, \( A \) — ометаемая площадь воздушного винта, \( V \) — скорость полёта, \( T \) — требуемая тяга. Полная мощность делится на полезную составляющую \( T V \), обеспечивающую полёт, и индуктивные потери \( T v_i \), расходуемые на разгон воздуха вниз. Кольцевой обтекатель уменьшает вторую составляющую.

Доля индуктивных потерь в полной мощности равна \( v_i / (V + v_i) \). При неизменной тяге рост скорости полёта уменьшает индуктивную скорость, а вместе с ней уменьшается и доля потерь, которые способен исправить обтекатель. Численные значения приведены в таблице 1. Расчёт выполнен для винта диаметром 127 мм (пять дюймов) с ометаемой площадью \( A = 0{,}0127\ \text{м}^{2} \) при тяге 10 Н на один винт. Расчёт является оценочным и служит учебным ориентиром.

Из таблицы 1 следует, что при скорости свыше 600 км/ч доля индуктивных потерь составляет около одного процента, и оптимизировать практически нечего. Этот результат является следствием моментной теории и не зависит от качества изготовления обтекателя.

↑ К оглавлению

4. Три причины отказа от кольца на высоких скоростях

На высоких скоростях к исчезновению полезного эффекта добавляются три ограничения.

4.1. Подсасывание на входной губе действует только при висении

При висении воздух подходит к воздушному винту со всех сторон. Разрежение на профилированной входной губе засасывает поток с боков, и кольцо работает всей поверхностью. В полёте набегающий поток направлен почти по оси винта, входная губа работает только лобовой частью, а замыкающие участки кольца находятся в аэродинамической тени. Присоединённая масса кольца и подсасывание резко уменьшаются.

Это подтверждается исследованиями эжекторных насадок. Статический выигрыш насадки уменьшается до нуля по мере приближения скорости полёта к скорости истечения струи, а по оценкам NASA обращается в нуль при числе Маха около 0,7. Чем больше площадь второго контура, тем быстрее теряется выигрыш с ростом скорости.

Тот же вывод следует из классических экспериментов Грюнвальда с канальным винтом: с ростом относительной скорости полёта доля винта в общей тяге системы увеличивается с 40 % до 70 %, то есть вклад кольца уменьшается.

4.2. Сопротивление растёт как квадрат скорости

Вторая причина состоит в собственном сопротивлении обечаек. Лобовое сопротивление пропорционально скоростному напору, поэтому оно растёт пропорционально квадрату скорости полёта:

Здесь \( C_x \) — коэффициент лобового сопротивления, \( S \) — площадь фронтальной проекции. Оценка для четырёх обечаек диаметром 140 мм с шириной профиля шесть миллиметров приведена в таблице 2.

Для сравнения: заявленный прирост 15 % от суммарной тяги четырёх винтов (расчётный пример: 4 × 10 Н = 40 Н) составляет 6 Н. Таким образом, в наиболее благоприятном случае обтекания вдоль оси сопротивление обечаек сравнивается со всем заявленным приростом уже на скорости около 620 км/ч, а при косом обтекании со срывом потока — на скорости около 180 км/ч, то есть задолго до рекордных значений.

Фактический выигрыш на скорости 685 км/ч по таблице 1 составляет 0,008 %, тогда как сопротивление обечаек даже при обтекании вдоль оси достигает 7,3 Н. На такой скорости кольцо увеличивает сопротивление и не даёт прироста тяги.

4.3. Косое обтекание и волновой кризис на концах лопастей

При разгоне БВС мультироторной схемы летит с большим углом тангажа, и воздушные винты работают в режиме косого обтекания под углом от 40 до 70 ° к набегающему потоку. Для канальных схем это наиболее неблагоприятный режим: на входной губе развивается срыв потока, обечайка работает как плохообтекаемое тело, а её вклад в тягу уменьшается и может стать отрицательным. В обзорах канальных винтов срыв потока на губе при увеличении угла атаки указан как один из главных ограничивающих факторов.

Дополнительное ограничение связано с волновым кризисом. На рекордных аппаратах двигатели развивают около 34 000 об/мин, при этом окружная скорость конца лопасти винта диаметром 127 мм составляет примерно 226 м/с. С учётом скорости полёта 190 м/с суммарная местная скорость потока у конца лопасти достигает 290–300 м/с, что соответствует числу Маха около 0,85. При таких значениях возникают скачки уплотнения, волновое сопротивление и интенсивные концевые вихри.

Зазор между концом лопасти и обечайкой, необходимый для получения эффекта, составляет от одного до двух процентов радиуса винта, то есть от 0,6 до 1,3 мм для винта указанного диаметра. Обеспечить такой зазор при тепловом расширении углепластиковых лопастей и указанных окружных скоростях практически невозможно.

↑ К оглавлению

5. Почему это не второй контур турбореактивного двигателя

Степень двухконтурности является параметром турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД). В ТРДД наружный контур не является пассивным каналом: воздух в нём разгоняет вентилятор, то есть лопаточная машина, преобразующая мощность турбины в тягу с КПД 85–90 %. Именно поэтому двухконтурная схема эффективна на дозвуковых скоростях: вентилятор сообщает небольшое ускорение большой массе воздуха, что снижает индуктивные потери.

При замене наружного контура пассивным кольцевым каналом вокруг корпуса двигателя работает другой механизм — эжекция. Подсасываемый воздух разгоняется вязким трением о струю от воздушного винта. Даже в идеальной теории эжектор не удваивает тягу, а реальные конструкции заметно уступают идеалу, поскольку часть энергии теряется на смешение и трение.

Площадь кольцевого канала вокруг двигателя невелика. Кольцевая щель шириной два миллиметра вокруг двигателя диаметром 28 мм имеет площадь около двух квадратных сантиметров, что составляет примерно 1,5 % ометаемой площади винта диаметром 127 мм. Даже в идеальном случае прирост тяги от такой щели измеряется долями процента, и наблюдается он только при висении.

↑ К оглавлению

6. Сравнение с реальными средствами прироста скорости

Полезно оценить верхнюю границу: какой прирост скорости дал бы прирост тяги, не требующий дополнительной мощности. В установившемся режиме скорость ограничена балансом тяги и сопротивления. Из этого баланса следует, что при неизменном сопротивлении скорость пропорциональна квадратному корню из тяги, а при неизменной мощности — кубическому корню из мощности.

Расчёт показывает следующее. Прирост тяги 15 % при той же мощности даёт прирост скорости около 7 % (квадратный корень из 1,15 равен 1,07). Прирост тяги 10 % даёт около 5 %, прирост тяги 20 % — около 9,5 %. С учётом дополнительной мощности, необходимой на преодоление сопротивления обечаек, реалистичная оценка снижается.

На практике прирост результатов обеспечивался другими средствами. Австралийская команда установила карбоновые воздушные винты высокого шага с зубчатой передней кромкой и заявила, что переработка винтов дала около 80 км/ч прироста. Южноафриканская команда уменьшила диаметр воздушных винтов до 152 мм, обновила конструкцию корпуса и применила двигатели с повышенной частотой вращения. На рекордных прогонах применялись двигатели AAX 2826 с частотой вращения 34 000 об/мин, параллельное соединение аккумуляторных батарей, снижение массы и аэродинамические обтекатели корпуса; потребляемый ток достигал 400 А, а температура двигателей и батарей — 70–76 °C.

Следует различать аэродинамический обтекатель корпуса и кольцевую обечайку на двигателе. Первый снижает коэффициент лобового сопротивления аппарата и потому полезен на высоких скоростях. Вторая уменьшает индуктивные потери, доля которых на этих скоростях составляет доли процента.

↑ К оглавлению

7. Где кольцевой обтекатель действительно полезен

Изложенное не означает, что кольцевой обтекатель бесполезен. У него есть область применения, определяемая режимом работы движителя.

• Кольцевой обтекатель эффективен при висении и на малых скоростях полёта: для перегруженных воздушных винтов малого диаметра прирост тяги составляет от 15 до 30 %, и на скоростях до 120–150 км/ч выигрыш ещё измеряется процентами.
• Грузовые мультироторные платформы и аппараты вертикального взлёта проводят основную часть полётного времени на малых скоростях, где обтекатель эффективен.
• Насадка Корта применяется на судах с перегруженным движителем, то есть на буксирах и траулерах, где требуется большой упор на малой скорости.
• Обечайка в роли дефлектора направляет поток на двигатели и регуляторы, что важно при высоком потребляемом токе и нагреве до 70–76 °C.

↑ К оглавлению

8. Итоги

1. Эффект кольцевого обтекателя реален, но относится к режиму перегруженного воздушного винта при висении и на малой скорости; авиационные значения 15–25 % получены именно для этого режима.
2. Причина исчезновения эффекта на скорости является следствием моментной теории: кольцо уменьшает индуктивные потери, доля которых падает с 100 % при висении до 0,9 % на скорости 685 км/ч.
3. Сопротивление обечаек растёт пропорционально квадрату скорости и в наиболее благоприятном случае превышает заявленный прирост уже при скорости около 600 км/ч, а при косом обтекании со срывом — около 180 км/ч.
4. Отождествление кольца с наружным контуром турбореактивного двухконтурного двигателя неверно: в двигателе массовый расход создаёт вентилятор, а в рассматриваемой конструкции — эжекция через щель площадью около 1,5 % ометаемой площади.
5. Даже честный прирост тяги 15 % дал бы прирост скорости около 7 %, поэтому решающими остаются аэродинамические характеристики воздушных винтов, снижение сопротивления аппарата и энерговооружённость.
6. Область применения кольцевого обтекателя — висение, малые скорости, перегруженные движители и охлаждение; для рекордных скоростей он не применяется.

↑ К оглавлению

9. Приложение. Методика расчёта

Сравнение открытого воздушного винта и идеального канала выполнено по моментной теории движителя. Для открытого винта приняты зависимости \( T = \rho A (V + v_i) v_i \) и \( P = T (V + v_i) \). Для идеального канала с площадью выхода, равной площади диска винта, приняты \( T = \rho A (V + u) u \) и \( P = T (V + u/2) \), где \( u \) — индуктивная скорость в канале. Доля индуктивных потерь вычислена как \( v_i / (V + v_i) \).

Численный пример: плотность воздуха \( \rho = 1{,}2\ \text{кг/м}^{3} \), ометаемая площадь винта диаметром 127 мм \( A = 0{,}0127\ \text{м}^{2} \), тяга 10 Н на один винт. Значения округлены; цель расчёта состоит в оценке порядка величины. При другой массе и другом диаметре винтов численные значения изменяются, но характер зависимостей сохраняется: выигрыш кольца уменьшается с ростом скорости, а сопротивление растёт пропорционально квадрату скорости.

Сопротивление обечаек вычислено как \( D = C_x q S \), где \( q = \rho V^{2}/2 \) — скоростной напор, \( S \) — суммарная площадь фронтальной проекции четырёх колец диаметром 140 мм с шириной профиля шесть миллиметров. Коэффициент лобового сопротивления принят равным 0,1 при обтекании вдоль оси и 1,2 при косом обтекании со срывом потока. Оценка является верхней, поскольку предполагает полный скоростной напор на всю площадь проекции.

Модель не учитывает потери на трение и срыв в канале, взаимное влияние потоков от соседних винтов, срыв на входной губе при косом обтекании, скачки уплотнения на концах лопастей, а также массу и жёсткость конструкции. Все перечисленные факторы ухудшают результат для кольцевого обтекателя.

↑ К оглавлению

10. Источники

1. Abrego A., Bulaga R. Tip Clearance Investigation of a Ducted Fan Used in VTOL UAVs. Journal of Turbomachinery, 2014. Уменьшение относительного зазора с 3,04 % до 1,71 % увеличило КПД системы на 17,85 %. Ссылка
2. Thrust, thrust coefficient and power coefficient of counter-rotating ducted fans. ResearchGate. Прирост тяги более 20 % при зазоре около 1 % радиуса и менее 5 % при зазоре 4 %. Ссылка
3. Zhang T., Barakos G. Review on ducted fans for compound rotorcraft. Progress in Aerospace Sciences, 2020. Увеличение доли винта в общей тяге с 40 % до 70 % при росте относительной скорости полёта; срыв потока на входной губе. Ссылка
4. Ducted propeller. Wikipedia. Насадка Корта увеличивает упор на швартовах на величину до 30 % и теряет преимущество при скорости около десяти узлов. Ссылка
5. Thrust Augmentation with Mixer-Ejector Systems. AIAA 2002-0230, NASA. Статический выигрыш эжектора уменьшается до нуля по мере роста скорости полёта. Ссылка
6. An investigation of a mixer-ejector nozzle for jet noise reduction. NASA. Выигрыш эжектора обращается в нуль при числе Маха около 0,7. Ссылка
7. Peregreen V4 стал самым быстрым аппаратом в мире, разогнавшись до 660 км/ч. Техкульт, январь 2026. Официальный титул Книги рекордов Гиннесса, результат 657,59 км/ч, воздушные винты диаметром 152 мм. Ссылка
8. Установлен новый мировой рекорд скорости — 661 км/ч. 3DNews, февраль 2026. Двигатели AAX 2826 с частотой вращения 34 000 об/мин, параллельное соединение батарей, нагрев до 70–76 °C. Ссылка
9. Аппарат Blackbird, летающий со скоростью самолёта, разогнался до 730 км/ч. iXBT, май 2026. Результат 730 км/ч по ветру и 685 км/ч в среднем. Ссылка

Проверено: 05.10.2026