КОНВЕРТОПЛАН

Полезная модель относится к летательным аппаратам, конкретно к конвертопланам - летательным аппаратам (ЛА) с поворотными винтовыми движителями, которые на взлете и при посадке работают как подъемные, или несущие в режиме зависания, а в горизонтальном полете движители работают как тянущие или толкающие, при этом подъемная сила обеспечивается самолетным крылом. Винтовые движители размещаются в мотогондолах, поворот которых осуществляется с помощью специальных поворотных механизмов.
В известных конструкциях конвертопланов (см., например, патент РФ на полезную модель №128182) отсутствуют управляющие аэродинамические поверхности и управление движением осуществляют только изменением вектора тяги винтов, используемых для вертикальных режимов полета подъема на высоту и посадочного спуска, а также для переходных и горизонтальных режимов полета, что неизбежно приводит к снижению эффективности винтов на всех режимах.
Известны конструкции ЛА с применением соосных винтов (см., например, патент США №8931729), используемых, однако, только для оптимизации характеристик соосного несущего винта и стабилизации летательного аппарата, при этом в управлении ЛА участвуют аэродинамические поверхности.
Наиболее близким аналогом из уровня техники является известный конвертоплан, содержащий фюзеляж, крылья и размещенные с возможностью поворота на конце каждого из крыльев двигательные группы в виде мотогондол, каждая из которых содержит тянущий, толкающий винты и соответствующие им двигатели, при этом толкающие винты выполнены с возможностью перевода в положение наименьшего сопротивления воздушному потоку при переходе конвертоплана в режим горизонтального полета и отключении двигателя толкающего винта (патент РФ на полезную модель №182884, ООО "АЭРОКСО", 09.05.2018 г.).
Заявленная полезная модель направлена на решение задачи совершенствования конструкции ЛА типа конвертоплан, при этом технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в увеличении эффективности и надежности таких конвертопланов путем улучшения их управляемости и возможности стабилизации на всех режимах полета.
Для достижения технического результата поставленной задачи предлагается в известном конвертоплане, содержащем фюзеляж, крылья и размещенные с возможностью поворота на конце каждого из крыльев двигательные группы в виде мотогондол, каждая из которых содержит двигатели и соответствующие им тянущий и толкающий винты, выполненные с возможностью перевода в положение наименьшего сопротивления воздушному потоку при переходе конвертоплана в режим горизонтального полета и отключении двигателя толкающего винта, предлагается тянущие винты на смежных крыльях выполнить с противоположным друг другу направлением вращения и со спуском лопасти с верхней стороны крыла к нижней через конец крыла при виде спереди, на концевых участках крыльев в их задних кромках выполнить продольные им вырезы, при этом у продольных кромок вырезов на нижних поверхностях крыльев установить турбулизаторы, а поперечные торцы вырезов выполнить скошенными в противоположную от концов крыльев сторону.
Дополнительно турбулизаторы могут быть выполнены в виде зигзагообразных полос; зигзагообразные полосы могут быть выполнены приклеенными; плоскость вращения толкающих винтов может быть расположена в вырезах крыльев; толкающие винты могут быть выполнены с возможностью складывания назад вдоль их оси вращения от набегающего воздушного потока; каждый из винтов в двигательной группе может быть выполнен с возможностью изменения шага винта; каждый из винтов в двигательной группе может иметь отличный от другого диаметр, профиль лопастей, их число и/или установочный шаг; двигатели могут иметь различную мощность и/или обороты для максимального КПД; винты в мотогондолах могут быть расположены на одной оси вращения или на параллельных осях; ось вращения толкающего винта в мотогондоле может быть установлена с возможностью поворота относительно мотогондолы; каждая из мотогондол может быть снабжена крылышком, или композицией из нескольких крылышек, при этом минимум одно крылышко каждой мотогондолы выполнено с возможностью управляемого отклонения по углу установки относительно мотогондолы; турбулизаторы могут быть выполнены как триммеры, или как интерференционные кромки, интегрированные у продольных кромок вырезов на нижних поверхностях крыльев.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где изображено:
на фиг. 1 - испытания в аэродинамической трубе ЦАГИ АДТ Т-102 тематической модели самолета с аналогичным расположением мотогондол движителей по концам крыльев;
на фиг. 2 - график распределения аэродинамической циркуляции по размаху крыла тематической модели самолета с аналогичным расположением мотогондол движителей по концам крыльев;
на фиг. 3 - принципиальная схема конвертоплана с положением мотогондол, соответствующим режиму горизонтального полета (толкающие винты условно показаны в не сложенном положении, а пунктирными стрелками показано направление их вращения);
на фиг. 4 - положение турбулизаторов на виде конвертоплана снизу;
на фиг. 5 - положение турбулизаторов на сечении профиля крыла в районе выреза задней кромки.
Заявленный конвертоплан (см. фиг. 3) выполнен по схеме тандем и включает фюзеляж 1, две передних консоли 2 и две задних консоли 3 крыла, вертикальное хвостовое оперение 9. Движительные винтомоторные группы размещены в мотогондолах 4 и содержат два двигателя и соответствующие им тянущий винт 5 и толкающий винт 6, а сами мотогондолы установлены с возможностью поворота на конце каждого из крыльев. На концевых участках крыльев в районах их задних кромок имеются вырезы 7 с поперечными торцами 8, выполненными скошенными в сторону фюзеляжа. Конвертоплан на стоянке опирается на две стойки шасси 10, установленные на передних консолях крыла, и на хвостовое вертикальное оперение 9.
Повороты мотогондол осуществляется независимыми друг от друга сервоприводами, что позволяет изменять действующую на конвертоплан суммарную тягу и управляющие им моменты сил. Использование тянущетолкающей схемы размещения винтов в одной поворотной мотогондоле позволяет одним управляющим воздействием изменять вектор тяги обоих винтомоторных групп, а использование нескольких исполнительных механизмов поворота мотогондолы позволяет дублировать управление на случай отказа одного из них.
Возможность достижения технического результата поставленной задачи при использовании заявленной конструкции обусловлена следующими факторами. Возможность повышения эффективности заявленного конвертоплана при отключении толкающих винтов обусловлена возможностью разделения функций винтов: тянущий винт может быть оптимизирован под режим горизонтального полета, толкающий - режим вертикального взлета, зависания и т.п. Для повышения эффективности заявленного конвертоплана на режиме горизонтального полета предлагается расширить возможности управления с помощью оптимизации аэродинамического обтекания концевых участков крыльев, обдуваемых тянущими винтами.
Применение беспилотных систем позволяет снизить взлетный вес летательного аппарата при той же функциональной нагрузке. Однако со снижением взлетного веса летательного аппарата снижается число Рейнольдса по хорде крыла (Pelletier A., Mueller T.J. In: Proc. XLVI Annual Conf. of the Canadian Aeronautics and Space Institute. 3-5 May 1999. Montreal, 1999. P. 59-68). Очень часто оно становится ниже 500000, при этом происходит ухудшение его аэродинамических характеристик. Вызвано это тем, что на крыле при углах атаки, соответствующих нормальному режиму полета, в пограничном слое появляется обширная отрывная зона, называемая отрывным пузырем. Как известно, при обтекании аэродинамического профиля крыла над отрывным пузырем поток турбулизуется и снова присоединяется к поверхности, но при малой степени турбулентности позади пузыря, как показывает визуализация, образуется крупномасштабная трехмерная вихревая структура (Павленко A.M., ИЗУЧЕНИЕ ВИХРЕВОЙ СТРУКТУРЫ ОТРЫВНЫХ ТЕЧЕНИЙ И МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ОТРЫВОМ НА МОДЕЛЯХ КРЫЛЬЕВ ПРИ МАЛЫХ ЧИСЛАХ РЕЙНОЛЬДСА, автореферат диссертации к. ф-м. н., институт теоретической и прикладной механики СО РАН).
С уменьшением числа Рейнольдса отрывной пузырь увеличивает свой размер по хорде крыла и вместе с этим трехмерные вихревые структуры, которые при высоких числах Рейнольдса располагались только в краях размаха крыла, распространяются на весь размах. Очевидно, что появление этих структур связано с концевыми эффектами, потому, что с увеличением числа Рейнольдса и уменьшением протяженности отрывного пузыря по хорде не происходит увеличения числа пар трехмерных структур. При этом на угле атаки порядка 15° за линией отрыва располагается обширная застойная область и от задней кромки до 60% по хорде область трехмерного возвратного течения. Отрывной пузырь увеличивает сопротивление крыла и приводит к срыву потока на критическом угле атаки более низком, чем это происходит при числах Рейнольдса более 500000 (Бойко А.В., Грек Г.Р., Довгаль А.В., Козлов В.В. Возникновение турбулентности в пристенных течениях. Новосибирск: Наука, Сиб. Предприятие РАН, 1999. 328 с.).
Таким образом, предлагаемые возможности управления обтеканием основаны на использовании локализованных источников возмущений, устанавливаемых позади линии отрыва в области возвратного течения. Обнаружено, что в этом случае также изменяется пространственная вихревая структура течения и такое воздействие позволяет управлять обтеканием и в некоторых случаях даже полностью устранять срыв потока. Здесь прослеживается некоторая аналогия с известным способом управления отрывом без подвода энергии в виде самоотклоняющихся щитков, которые приподнимаются над крылом в случае возникновения возвратного течения в зоне отрыва (Meier R., Hage W., Bechert D.W., Schatz M., Knacke Т., Thiele F. Separation control by self-activated movable flaps // AIAA Journal. 2007. V. 45. №1. P. 191-199).
Концевой вихрь, модифицируя обтекание крыла, усиливает нисходящую вертикальную скорость и уменьшает реальный угол обтекания (местный угол атаки) крыла, причем сила этого скоса потока за крылом определяется силой концевых вихрей. Таким образом, применительно к крыльям сравнительно большого удлинения конвертоплана для того, чтобы минимизировать влияние скоса потока, вызванного конечным размахом крыла, целесообразно применить комплексные решения.
Зигзагообразная лента турбулизатора создает в каждой точке зубов небольшие трехмерные пары вихрей, которые могут увлекать набегающий поток. Но на этот процесс сильно влияют местные градиенты давления на профиле крыла - небольшие трехмерные пары вихрей обычно усиливаются за счет благоприятного градиента давления, который обеспечивает приток энергии, чтобы поддерживать и удерживать их вместе. Таким образом, зигзагообразная лента на продольной кромке выреза с тупой задней кромкой профиля создает нужное качество турбулентности концевых участков крыла. (Michael Patrick Thake, Jr., B.S., Investigation of a Laminar Airfoil with Flow Control and the Effect of Reynolds Number, Graduate Program in Aeronautical and Astronautical Engineering, The Ohio State University, 2011).
Предлагаемые турбулизаторы как триммеры возбуждает циркуляцию потока и, таким образом, увеличение количества движения, что снижает чувствительность аэродинамики концевых участков крыла к числу Рейнольдса - наличие турбулизаторов определенного характера существенно улучшает устойчивость и управляемость конвертоплана как малоразмерного летательного аппарата. Вырезы со скошенными торцами в районах задних кромок концевых частей крыльев в целом повышают стабильность там аэродинамической циркуляции.
Турбулентный сток на нижней стороне профиля крыльев с их продольных кромок вырезов стабилизирует циркуляцию потока и, таким образом, посредством турбулизаторов достигается более низкая чувствительность концевых участков крыльев к числу Рейнольдса и, следовательно, повышаются летные характеристики беспилотного варианта конвертоплана.
В результате обдува тянущим винтом концевых участков крыла в районе скошенных поперечных торцов вырезов образуется выгодный присоединенный разгонный вихрь от винта, который значительно ускоряет поток, обтекающий крыло сверху и снизу, вследствие чего точка разделения потока смещается по скосу торца вниз и к задней кромке крыла в соответствии с конусообразным расширением вихря.
В конечном итоге все это позволяет улучшить управляемость заявляемого конвертоплана и возможности стабилизации его на всех режимах полета, а также нивелировать влияние негативных аэродинамических эффектов, например, в виде нестационарных колебательных возбуждений от порывов бокового ветра на переходных и вертикальных режимах полета конвертоплана, т.е. при расширении диапазона рабочих углов атаки крыльев.
Испытания тематической модели в аэродинамической трубе ЦАГИ АДТ Т-102 (см. фиг. 1) показали, что на режиме полета близком к крейсерскому воздушные винты, установленные на концах крыла, снижают индуктивное сопротивление и повышают аэродинамическое качество на ~ 15% (воздушные винты в тянущей конфигурации с противоположным друг другу направлением вращения и со спуском лопасти с верхней стороны крыла к нижней через конец крыла при виде спереди).
На фиг. 2 показано распределение аэродинамической циркуляции по размаху крыла тематической модели такого самолета, где видно, что при правильном направлении вращения воздушных винтов в тянущей схеме можно добиться снижения индуктивного сопротивления крыла, которое равно выигрышу в тяге воздушных винтов при их толкающем размещении за задней кромкой и с тем же направлением вращения.
Расположение плоскостей вращения толкающих винтов в пазах крыльевых прорезей со скошенными к фюзеляжу поперечными торцами также снижает негативное влияние нестационарных возбуждений от концевых вихрей на переходных режимах полета путем гашения этих вихрей при раскрутке соосных толкающих винтов непосредственно в интерференционных зонах кромок вырезов. Таким образом, на переходном режиме из горизонтального полета в зависание, или вертикальное снижение, при поворотном наклоне мотогондол косой обдув концевых крыльевых участков тянущими винтами и раскрутка толкающих винтов в их пазах будут способствовать стабилизации конвертоплана.