АППАРАТ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЗЛЁТА И ПОСАДКИ
VERTICAL TAKE-OFF AND LANDING AIRCRAFT

Изобретение относится к авиации, а именно к устройствам, предназначенным для обеспечения вертикального взлета и посадки, перемещения в горизонтальной плоскости, перемещения по твердым поверхностям.
Из предшествующего уровня техники известен самолет вертикального взлета и посадки - СВВП, у которого реактивные двигатели вынесены за переднюю кромку крыла и имеет поворотный сопловый насадок щелевого типа, а также снабжен он сопловым направляющим аппаратом, направленным на обдув крыла (см. патент РФ №2406652, В64С 29/00, 10.09.2009).
Недостатком подобного типа аппаратов является низкая величина создаваемой подъемной силы, так как большая часть реактивной струи рассеивается в пространстве вокруг единственного крыла ввиду удаленности источника высокоскоростной струи и при этом обдувается только малая его часть. Двигатели располагаются горизонтально, и сила тяги от двигателей не участвует в создании вертикальной силы.
Также известен аппарат, имеющий на реактивном двигателе щелевой воздухосборник, в полости которого расположено внутреннее крыло (см. патент РФ №2389653, В64С 29/00, 20.05.2010).
Этот признак аналога при возможных скоростях движения воздушного потока относительно единственного крыла не может реализовать вертикальный взлет и посадку, а может служить только средством создания дополнительной подъемной силы аппарата. Двигатели участвуют только в создании горизонтальной силы тяги. Входное устройство в двигатель принципиально предназначено для направления и выравнивания потока на входе в двигатель. Любые дополнительные возмущения и неравномерность потока приведут к неустойчивой работе газотурбинного двигателя.
Также известен летательный аппарат, в котором принудительно обдуваемые, аэродинамические поверхности размещены в воздухозаборных каналах, расположенных по периметру корпуса и радиально сходящихся в открытую вниз корытообразную полость (см. патент №2172705, В64С 29/00, 27.08.2001, Бюл. №24).
Недостатком прототипа является большая относительная масса конструкции при создании предлагаемого дискообразного корпуса. Силы тяги от винтов не участвуют в создании вертикальной подъемной силы и компенсируют друг друга. Сложная винтомоторная установка.
Также известен летательный аппарат с решетчатым крылом, сконструированным по аэродинамической схеме лопаточной решетки рабочего колеса компрессора в относительном движении. Крыло представляет собой две килевые стойки, смонтированные с возможностью поворота в вертикальной плоскости и между которыми расположены поворотные профильные элементы с отрицательным выносом. При подъеме крыла полиплан преобразуется в летательный аппарат, а при его опускании - в наземное транспортное средство (см. патент РФ №2025295, B60F 5/02, 30.12.1994).
Показан один из вариантов метода расчета геометрии решетчатого крыла. Полет летательного аппарата возможен только при определенной поступательной скорости, вертикальный взлет с места невозможен.
Также известен самолет вертикального взлета и посадки. Летательный аппарат содержит генератор воздушного потока в виде встречно вращающихся вентиляторов, аэродинамические поверхности, кабину, силовую установку, системы управления и стабилизации. Аэродинамические поверхности представляют собой решетки многопланового крыла, установленные под положительным углом атаки относительно принудительно созданного воздушного потока. Прямоугольные части воздуховода соединены раструбами с кольцом, в котором расположены вентиляторы. В прямоугольной части воздуховода установлено не менее двух решеток многопланового крыла (см. патент РФ №2459746, В64С 29/00, 21.08.2012).
Недостатками прототипа являются большая относительная масса конструкции, режим висения на месте невозможен. Изменение направления потока после многоплановых крыльев, воздействие потока на воздуховод приводит к появлению центробежных сил, направленных против подъемной силы крыльев, что может сделать взлет невозможным, вентиляторы не участвуют в создании вертикальной подъемной силы, что требует значительного увеличения мощности двигательной установки.
Целью данного изобретения является создание компактного, простого и надежного транспортного средства для передвижения в любых направлениях как в урбанизированной среде, так и на территориях с отсутствием какой-либо инфраструктуры.
Данная задача решается за счет того, что заявленный аппарат вертикального взлета и посадки содержит подъемное устройство (ПУ), фюзеляж, парашютно-спасательную систему, выносные консоли, выносные балки с расположенными на них рулем высоты, рулями направления и задними опорами шасси, соединяющие фюзеляж с подъемным устройством, а подъемное устройство состоит из гондолы, находящейся сверху фюзеляжа, с установленными в ней винтом, расположенным до решетчатого крыла (полиплана) или после решетчатого крыла (полиплана), решетчатым крылом (полипланом), с отрицательным выносом профильных элементов, изменяющим угол атаки вокруг поперечной оси и поворачивающимся вокруг продольной оси, создающим подъемную силу, по величине большую или соизмеримую с силой тяги винта, силовой установкой, кинематически связанной с винтом и дополнительным генератором, в то же время гондола изменяет свое положение путем вращения вокруг поперечной оси, при этом весь высокоскоростной поток от винта проходит через решетчатое крыло (полиплан) и все элементы решетчатого крыла (полиплана) находятся под действием высокоскоростного потока от винта, а фюзеляж представляет собой обтекаемое тело, где размещаются полезная нагрузка и необходимые системы аппарата, а парашютно-спасательная система, предназначенная для спасения аппарата и полезной нагрузки в случае отказа двигателя, располагается в верхней части гондолы, а выносные консоли, расположенные в передней части фюзеляжа, имеют на концах передние опоры шасси.
Винт представляет собой винтовентилятор.
Линия действия результирующей аэродинамической силы на решетчатом крыле, линия действия силы тяги от винта, поперечная ось вращения гондолы пересекаются в одной точке.
На опорах шасси установлены колеса, закрытые обтекателями, имеющие тормозную систему и выполненные на выносных консолях поворотными.
Колеса на выносных консолях имеют встроенные электромоторы.
Имеется возможность разрывать кинематическую связь силовой установки с винтом.
Имеется возможность подключения и отключения дополнительного генератора к силовой установке.
Коэффициент подъемной силы решетчатого по углу атаки крыла (полиплана) равен 2.0 и выше.
Выносные консоли выполнены в виде аэродинамических поверхностей и обеспечивают дополнительную подъемную силу и балансировку аппарата в горизонтальном полете.
Подъемное устройство имеет возможность перемещаться относительно фюзеляжа в продольном и поперечном направлениях.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является аппарата вертикального взлета и посадки, свойства которого позволяют перемещаться с полезной нагрузкой в воздушной среде вперед, назад, вбок, вверх, вниз без изменения и с изменением продольной оси аппарата, перемещаться по твердой поверхности земли, взлетать и садиться на неподготовленные поверхности.
Сущность изобретения поясняется схематическими чертежами аппарата вертикального взлета и посадки:
на фиг.1 - Общий вид аппарата вертикального взлета и посадки;
на фиг.2 - Продольный разрез (компоновка Вариант 1);
на фиг.3 - Продольный разрез (компоновка Вариант 2);
на фиг.4 - Схема действия сил в горизонтальном полете;
на фиг.5 - Схема действия сил на режимах вертикального взлета, висения и посадки.
Аппарат вертикального взлета и посадки содержит подъемное устройство (ПУ) 1, фюзеляж 2, парашютно-спасательную систему 3, выносные консоли 4, выносные балки 5 с расположенными на них рулем высоты 7 и рулями направления 8. Подъемное устройство состоит из гондолы с установленными в ней винтом 9, решетчатым крылом (полипланом) 6, силовой установкой 10.
Работает аппарат вертикального взлета и посадки следующим образом.
Вращение винта создает силу тяги. Весь высокоскоростной поток от винта направляется на решетчатое крыло (полиплан). В результате взаимодействия с потоком получаем подъемную силу на крыле. Решетчатое крыло (полиплан) имеет возможность изменять положение (угол атаки) относительно набегающего потока воздуха от винта в вертикальной плоскости, возможность вращаться относительно продольной оси гондолы. Изменение положения крыла позволяет изменять величину подъемной силы, получать поперечную силу для изменения направления движения аппарата без изменения положения продольной оси аппарата. Данная особенность конструкции позволяет иметь широкие маневренные возможности как на этапах взлета и посадки, так и на этапе горизонтального полета.
Особенность работы подъемного устройства в составе аппарата - совместная работа винта и крыла для создания суммарных усилий. Поворот подъемного устройства в вертикальной плоскости позволяет задать необходимый режим движения летательного аппарата от горизонтального полета вперед с созданием горизонтальной тяги от винта и подъемной силы от крыла до вертикального движения или движения назад или в бок при совместном создании вертикального и горизонтального усилия от винта и крыла. Точка приложения равнодействующей силы от подъемного устройства не изменяет своего положения. Центр тяжести аппарата находится ниже точки приложения равнодействующей силы от подъемного устройства. Таким образом, получается аэродинамически устойчивая схема, вне зависимости от возмущений, система будет стремиться в исходное положение (принцип маятника). Подобная схема значительно упрощает пилотирование аппарата.
Перед взлетом пилот производит поворот подъемного устройства на необходимый угол (взлетное положение). Увеличивая обороты двигателя, пилот производит отрыв аппарата от поверхности. Изменяя положение подъемного устройства и положение крыла, пилот парирует воздействие порывов ветра на аппарат. При уменьшении угла установки подъемного устройства происходит разгон аппарата. При установке подъемного устройства на угол, больший, чем взлетный, происходит торможение аппарата.
Взлет и посадка аппарата производятся при отклонении всего подъемного устройства в вертикальной плоскости на угол, определяемый аэродинамическим совершенством решетчатого крыла. Для движения по земле пилот производит отключение винта и подключение дополнительного генератора. Электромоторы в колесах предают мощность на колеса. Управление аппаратом при движении по земле ничем не отличается от управления автомобилем.