Конвертируемый летательный аппарат
CONVERTIBLE AIRCRAFT

Предлагаемое изобретение относится к авиационной технике. Изобретение может быть использовано при разработке летательных аппаратов (ЛА), в частности вертикального взлета и посадки.
Конвертируемые ЛА, выполненные по классической конструктивно-силовой схеме, сочетают в себе преимущества вертикального взлета - посадки и крейсерского полета, при котором создание подъемной аэродинамической силы происходит на крыле. Такие ЛА способны решать проблемы развития аэродромной сети для труднодоступных районов нашей страны, где отсутствуют возможности использования альтернативных видов транспорта, и тем самым получили бы широкое практическое применение.
Применение многовинтовой схемы, в частности, с электрическими двигателями, решает проблему безопасности при отказе и позволяет использовать двигатели без редукторов, что снижает вес и упрощает конструкцию.
Аналогами являются конвертируемые ЛА, конструктивные решения которых описаны в патентах USA № US 20150274290 A1, ЕС № ЕР2669195 А1, РФ №2635431.
В первом из выше представленных (US 20150274290 A1, МПК В64С 27/50, В64С 27/52 2015 г.), подъемные винты, расположены в мотогондолах на концах крыла, поворачиваются вместе с двигателями на 90° в процессе переходного режима, после чего винт останавливается и его лопасти складываются вдоль оси вала двигателя по потоку. Во втором (ЕР 2669195 А1, МПК В64С 27/22, В64С 27/30, В64С 29/00, В64С 39/02, 2013 г.) - часть винтомоторных групп (ВМГ) на переходном режиме убираются внутрь фюзеляжа путем поворота или складывания пилона, на котором они крепятся, а оставшаяся часть поворачиваются на 90° вместе с пилоном и работают в качестве маршевых ВМГ на крейсерском режиме.
Недостатком таких концепций ЛА является необходимость в системе поворота ВМГ в вертикальной плоскости. Использование такой системы значительно увеличивает вес ЛА, а сложенные подъемные ВМГ в крейсерском режиме полета находятся в потоке и создают дополнительное сопротивление в случае аппарата, представленного в патенте USA № US 20150274290 A1.
В патенте ЕС № ЕР 2669195 А1 предлагается 9 вариантов компоновки 6-ти и 4-х подъемных ВМГ на конвертируемом ЛА, часть которых на переходном режиме - две, три или четыре убираются внутрь фюзеляжа путем поворота пилона, на котором они крепятся, а одна или две ВМГ поворачиваются на 90° вместе с пилоном и работают в качестве маршевой ВМГ на крейсерском режиме. Винты не складываются и не изменяют геометрии.
Так же известен конвертоплан (Патент RU №2635431, МПК В64С 27/22, В64С 27/30, В64С 37/00, 2017 г.), принятый за прототип. В данном решении предлагается конвертоплан, оснащенный силовой установкой с тремя ВМГ, включающими винты, двигатели и пилоны крепления. Две подъемные ВМГ оснащены поворотными пилонами с двумя степенями свободы, закреплены симметрично с боковых сторон в центральной части фюзеляжа, имеют возможность поворачиваться в горизонтальной плоскости для уборки при горизонтальном полете вперед или назад в ниши фюзеляжа с возможностью фиксации положения, а также возможность поворота в вертикальной плоскости на переходном режиме для создания горизонтальной составляющей тяги и разгона конвертоплана на переходном режиме полета. Винты подъемных ВМГ оптимизированы для режима висения. Третья ВМГ, размещенная в хвостовой части конвертоплана, также имеет возможность поворота в горизонтальной и вертикальной плоскостях, на взлете выполняет функцию подъемной, а на крейсерском режиме - создает горизонтальную тягу и имеет винт, оптимизированный для работы на крейсерском режиме полета. Возможность поворота относительно продольной оси позволяет осуществлять маневрирование на режиме висения.
На режиме висения (вертикальный взлет и посадка) винты всех трех ВМГ создают вертикальную тягу. Затем на переходном режиме они постепенно отклоняются на небольшой угол, создавая горизонтальную составляющую тяги для разгона конвертоплана до скорости, когда крыло начинает создавать подъемную силу равную весу конвертоплана. В конце переходного режима кормовая ВМГ поворачивается на 90° и создает только горизонтальную тягу, а две подъемные ВМГ убираются в ниши внутрь фюзеляжа.
Такое концептуальное решение наиболее применимо к ЛА, имеющим размерность малых беспилотных ЛА (взлетной массой до 1000 кг). Для беспилотных ЛА внутренний объем фюзеляжа используется для размещения специального оборудования и, как правило, не является критичной величиной.
Для пилотируемого ЛА большей размерности и взлетной массы, имеющего ограничение удельной нагрузки на ометаемую подъемными винтами площадь в соответствии с требованиями допустимой эрозии грунта, диаметры подъемных винтов должны будут достигать значительных размеров, соизмеримых с полуразмахом крыла ЛА или с длиной пассажирской кабины, что соответствует реальным размерам конвертируемого ЛА, имеющего пассажировместимость 9-19 мест и более. Длина поворотных пилонов должна быть не менее радиуса подъемных винтов плюс необходимый зазор для безопасности. При таких габаритах подъемных винтов, убираемые в фюзеляж ВМГ будут занимать значительный объем, который усложнит компоновку пассажирского салона и потребует значительного увеличения размеров фюзеляжа и его омываемой поверхности, а, следовательно, аэродинамического сопротивления ЛА в целом.
Предлагаемое конструктивное решение обладает рядом преимуществ по сравнению с прототипом. По сравнению с другими решениями (патент ЕС № ЕР2669195 А1) и прототипом, патент РФ №2635431, где подъемные винты убираются в фюзеляж, уборка подъемных ВМГ в расположенные на крыле обтекатели обеспечит большую компактность конструкции, позволит уменьшить: габариты поворотных пилонов: общий объем убираемой несущей системы (подъемных ВМГ): дополнительную омываемую поверхность и аэродинамическое сопротивление на крейсерском режиме полета.
Задачей и техническим результатом настоящего изобретения является разработка конвертируемого летательного аппарата, который исключает вероятность создания отрывного потока на остановленных подъемных винтах, различных неуправляемых моментов и флаттера, то есть обеспечивает надежность и безопасность, а также высокие скоростные и экономические характеристики, позволяет уменьшить аэродинамическое сопротивление на крейсерском режиме полета.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в конвертируемом летательном аппарате, содержащем фюзеляж, крыло, маршевые винтомоторные группы и убираемые подъемные винтомоторные группы, подъемные винтомоторные группы оснащены складывающимися в плоскости вращения винтами, установлены парами на обоих концах крыла на поворотных пилонах, убираемых при повороте в обтекатели вместе с винтомоторными группами с предварительно сложенными винтами. Обтекатели для уборки подъемных винтомоторных групп оснащены сдвижными и/или поворотными створками. Поворотные пилоны выполнены из отдельных поворотных звеньев.
Фиг. 1 - Конвертируемый ЛА со складываемыми и убираемыми в обтекатели на крыле подъемными винтами во взлетно-посадочной конфигурации.
Фиг. 2 - Складывание подъемных винтов на переходном режиме конвертируемого ЛА.
Фиг. 3 - Уборка подъемных ВМГ внутрь обтекателя конвертируемого ЛА на переходном режиме.
Фиг. 4 - Закрытие створок обтекателя конвертируемого ЛА на завершающей фазе переходного режима.
Фиг. 5 - Конвертируемый ЛА со складываемыми и убираемыми в обтекатели на крыле подъемными винтами в крейсерской конфигурации Предлагаемое решение заключается в том, что закрепленные на поворотных пилонах подъемные винты с двигателями (винтомоторные группы), убираются внутрь специального обтекателя за счет их поворота на угол ~ 180° относительно осей, проходящих через узлы крепления к силовым элементам крыла. При этом двухлопастные винты винтомоторных групп (ВМГ) также предварительно складываются поворотом одной лопасти к другой на 180 градусов, располагаясь попарно и параллельно в сложенном положении в одном обтекателе, что позволяет обеспечить максимальную компактность. Обтекатель имеет сдвижные и поворотные створки, которые и позволяют ему выполнять открытие и закрытие в процессе уборки ВМГ внутрь и последующего выпуска при посадке.
Предлагаемая конструкция конвертируемого ЛА во взлетно-посадочной конфигурации показана на фиг. 1. Конвертируемый ЛА имеет фюзеляж 1, хвостовое оперение 2, крыло 3 с маршевыми ВМГ, включающими воздушные винты 4, а также подъемные винты 5 с приводом от электродвигателей 6, закрепленных на концах крыла попарно на поворотных пилонах (консольных балках) 7, образующих в совокупности подъемные ВМГ. Обтекатели 8 имеют сдвижные и поворотные створки, позволяющие осуществить уборку двух ВМГ внутрь каждого обтекателя 8 на переходных режимах полета, а на крейсерском режиме полета они принимают удобообтекаемую форму. При вертикальном взлете и посадке подъемные винты 5, размещенные на поворотных пилонах 7, создают вертикальную тягу, необходимую для режима висения преобразуемого ЛА. Управление на режиме висения, изменение углов крена и тангажа конвертируемого ЛА осуществляется путем дифференциации тяги четырех подъемных ВМГ.
В начале переходного режима винты 4 маршевых ВМГ начинают создавать тягу, конвертируемый ЛА увеличивает горизонтальную скорость. Когда скорость конвертируемого ЛА достигает значения, при котором подъемная сила крыла становится равной взлетному весу, тяга подъемных винтов 5 уменьшается до 0. Подъемные винты 5 останавливаются и складываются в плоскости вращения путем поворота одной лопасти к другой, как показано на фиг. 2. Затем сложенные лопасти подъемных винтов 5 устанавливаются вдоль поворотных пилонов 7 и фиксируются.
На фиг. 3 показан процесс уборки подъемных ВМГ со сложенными лопастями винта 5 в обтекатель 8. Уборка осуществляется путем поворота пилонов 7 на угол ~ 180°. Поворот осуществляется одновременно для обеих пар подъемных ВМГ, но с заданной десинхронизацией по угловой скорости поворота между передними и задними ВМГ с целью избежания столкновения передних и задних подъемных ВМГ при уборке. Центральные створки обтекателя 8 открываются вверх и вниз для перемещения подъемных ВМГ внутрь обтекателя 8. Завершение поворота при уборке передней и задней подъемных ВМГ происходит синхронно.
После завершения уборки подъемных ВМГ и их фиксации внутри обтекателей 8 их центральные створки закрываются, а передние и задние створки сдвигаются соответственно вперед и назад, как это показано на фиг. 4. Переходный режим завершается соединением и фиксацией створок обтекателя 8.
На фиг. 5 конвертируемый ЛА показан в конфигурации крейсерского полета. Обтекатель 8 с закрытыми створками имеет форму удобообтекаемого тела (каплевидная форма), близкого к телу вращения.
Существует возможность встраивания в поворотные пилоны 7 дополнительного узла поворота, разбивая его на два конструктивных звена или колена, которые при складывании системы будут поворачиваться друг относительно друга. В таком случае, возможно обеспечить большую компактность конструкции при складывании, а подъемные ВМГ будут совершать сложное пространственное перемещение, близкое к плоскопараллельному, так как ВМГ со сложенными винтами не будут разворачиваться при уборке. Такой вариант системы будет иметь преимущества в компактности и уменьшении размеров обтекателя 8, пилоны будут создавать меньшее сопротивление и влияние на аэродинамику конвертируемого ЛА в переходном режиме.
Выполненные расчеты подтверждают, что предлагаемый конвертируемый летательный аппарат исключает вероятность создания отрывного потока на остановленных подъемных винтах, различных неуправляемых моментов и флаттера, т.е. позволит обеспечить необходимую управляемость, надежность и безопасность на всех режимах полета, а также высокие скоростные и экономические характеристик
Конвертируемый летательный аппарат может быть эффективно использован для пассажирских и грузовых перевозок на местных и региональных авиалиниях.