Устройство вертостата с несущим горизонтальным оперением
HELISTAT DEVICE WITH BEARING HORIZONTAL TAIL

Изобретение относится к авиации, в частности к воздухоплаванию, а именно к устройству вертостатов.
В конструкции вертостатов используются несущие винты и в этом их главное отличие от других разновидностей дирижаблей. Присутствие несущих винтов иногда позволяет вообще отказаться от хвостового оперения, если используется два, три или четыре несущих винта (патент США №4591112, кл. 244-26, 1986 г.), т.к. дифференциальным управлением подъемной силой винтов и пропульсивными продольными и боковыми составляющими этих сил можно стабилизировать линию полета и получать необходимые управляющие моменты в трех плоскостях во всем диапазоне скоростей. Однако в большинстве проектов вертостатов независимо от количества несущих винтов хвостовое оперение предусмотрено и призвано выполнять свои классические стабилизирующие функции (авт. св. СССР №422217, кл. В64В 1/34, 1972 г.; авт. св. СССР №588713, кл. В64В 1/34, 1975 г.; авт. св. СССР №719065, кл. В64В 1/34, 1978 г.; авт. св. СССР №984155, кл. В64В 1/34, 1981 г.). Однако горизонтальное хвостовое оперение не участвует в создании подъемной силы. Поэтому подъемная сила таких аппаратов складывается из суммарной подъемной силы тяги несущих винтов и подъемной аэростатической силы, создаваемой несущим газом в оболочке. С ростом поступательной скорости вертостата добавляется аэродинамическая подъемная сила, создаваемая профилем оболочки. Часть подъемной силы дополнительно может создаваться поворотом винтов маршевых винтомоторных установок, но в вертостатах, где имеются несущие винты, данное решение не получило распространение.
Применение на вертостатах вертолетных несущих винтов для создания подъемной силы тяги требует обеспечения свободного пространства под винтом для отбрасываемой ими воздушной струи. Это обстоятельство приводит к созданию громоздких и сильно развитых в поперечном и продольном направлении ферменных конструкций, надежность которых вызывает сомнения при наличии вибраций, а также при полете в неспокойном воздухе.
Использование чисто автожирных несущих винтов для создания части подъемной силы принципиально расширяет возможности создания эффективных компоновок вертостатов. Автожирный несущий винт по отношению к притекающему к нему потоку снизу вверх и назад работает под положительным углом атаки. Благодаря этому он может компоноваться на вертостате в пределах области плана оболочки. Это позволяет устранить протяженные внешние силовые фермы, существенно снижающие величину поднимаемой полезной нагрузки.
По составу других элементов и частей вертостат соответствует классическому дирижаблю. Конструкция включает несущую оболочку, полужесткой или жесткой конструкции, кабину экипажа или гондолу с полезной нагрузкой, шасси, оперение, винтомоторную установку, где движителем, создающим горизонтальную тягу, является воздушный винт, а в качестве источников мощности могут быть использованы различные типы двигателей (например, поршневые или газотурбинные двигатели, электродвигатели).
Управление полетом вертостата осуществляется с помощью изменения положения рулевых поверхностей, изменения величины и направления вектора тяги несущего винта, регулированием режима работы маршевой винтомоторной установки, а также изменением плотности несущего газа или его температуры внутри несущей оболочки аппарата.
Известно устройство вертостата (патент РФ №2553512 от 14.02.2014 г.), предусматривающее установку автожирного винта в верхней части образующей оболочки так, чтобы линия действия подъемной силы тяги при полетном угле атаки по отношению к набегающему потоку проходила через центр тяжести вертостата или была близка к нему. При таком решении нет возможности дополнительного увеличения грузоподъемности вертостата за счет включения в его несущую схему положительной составляющей подъемной силы, которую можно было бы получить с площади заднего горизонтального оперения. В данной схеме заднее горизонтальное оперение стабилизирует линию пути или, по командам системы управления, создает разнонаправленные моменты на пикирование или кабрирование.
Вертостат, описанный в патенте РФ №2553512 от 14.02.2014 г., является наиболее близким по технической сущности и выбран в качестве прототипа.
Задачей изобретения является включение несущих возможностей заднего горизонтального оперения в создание полной подъемной силы вертостата, в том числе на малых и нулевых поступательных скоростях полета.
Задача изобретения решается тем, что предложено устанавливать несущий винт в носовой части вертостата над установленной впереди кабиной экипажа, а заднее горизонтальное оперение снабдить рулем-закрылком и обдувать его поверхности воздушным потоком от тянущих маршевых винтов.
Технический результат характеризуется следующими существенными признаками:
- с целью уменьшения потребного объема несущего газа, несущий винт и кабина установлены в носовой части вертостата, а заднее горизонтальное оперение снабжено возможностью частичного уравновешивания своей подъемной силой момента подъемной силы тяги несущего винта относительно центра тяжести.
- с целью получения наибольшей подъемной силы заднего горизонтального оперения на малых и нулевых поступательных скоростях взлета и посадки, перед оперением установлены тянущие маршевые винты, воздушный поток от которых имеет возможность обдувать поверхности заднего горизонтального оперения и отклоняться вниз на угол, заданный положением рулей-закрылков.
- конструкция рулей-закрылков заднего горизонтального оперения снабжена способностью выполнять функции руля высоты в маршевом полете.
На Фиг. 1 показана схема компоновки вертостата.
На Фиг. 2 изображен момент взлета вертостата предложенной схемы.
Устройство вертостата с несущим винтом по Фиг. 1 и Фиг. 2 включает:
Несущую оболочку (1), носовую кабину для экипажа и полезной нагрузки (2), киль (3), маршевую винтомоторную установку (4), установленную перед задним горизонтальным оперении (5) с рулем-закрылком (6), несущий винт (7), смонтированный на кабане (8) в носовой части вертостата над кабиной.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 дополнительно обозначены:
- Вектор силы веса G вертостата;
- Вектор силы тяги Т, создаваемой винтомоторной установкой;
- Вектор полной аэродинамической силы, создаваемой несущим винтом R;
- Вектор тянущей силы несущего винта Р;
взл
- Вектор направления скорости взлета V;
1
- Вектор подъемной силы несущего винта Y;
2
- Вектор аэростатической подъемной силы несущей оболочки Y;
3
- Вектор подъемной силы заднего горизонтального оперения Y;
4
- Вектор аэродинамической подъемной силы корпуса оболочки Y;
- Положение центра объема корпуса оболочки ЦО;
- Положение центра тяжести аппарата ЦТ.
Вертостат проектируется так, чтобы 70-80% веса конструкции компенсировалось аэростатической подъемной силой несущего газа в оболочке (1), а оставшиеся 20-30% - подъемной силой несущего винта (7) и подъемной силой заднего горизонтального оперения (5) в долях, примерно пропорциональных их удалению от центра объема (ЦО) несущей оболочки (1). При этом большая часть подъемной силы тяги несущего винта (7) (с запасом на управление) рассчитывается на компенсацию веса экипажа с полезным грузом, располагающимся в кабине (2) под несущим винтом, а большая часть подъемной силы заднего горизонтального оперения (5), на компенсацию полетного запаса топлива, помещенного в топливный бак непосредственно под горизонтальным оперением или в его кессоне.
За кабиной (2) устанавливается дополнительный балластный топливный бак, который используется при перегоночных полетах, полетах на максимальную дальность, а также для повышения устойчивости вертостата на стоянке и для корректировки центровки в полете. Таким образом, на стоянке вертостат без топлива на борту оказывается на 20-30% тяжелее воздуха, а при заправленном балластном топливном баке становится максимально перетяжеленным. Поэтому такой летательный аппарат не нуждается в причальной мачте и может использовать самолетные стоянки в обычных аэропортах. Причем в габаритах одной стоянки самолета, соразмерного по длине, может помещаться два, а в некоторых случаях даже три подобных вертостата.
1
3
В предполетной конфигурации центр тяжести (ЦТ) полностью снаряженного и загруженного полезной нагрузкой вертостата будет находится впереди центра объема (ЦО), т.к. вес полезной нагрузки (пассажиры или груз), приходящийся на несущий винт (7), значительно превышает нагрузку от количества топлива в заднем баке у горизонтального оперения (5). Соответственно плечо от вектора подъемной силы тяги (Y) до (ЦТ) будет всегда меньше плеча от подъемной силы (Y) горизонтального оперения до (ЦТ).
Устройство вертостата с несущим горизонтальным оперением работает следующим образом (Фиг. 1, 2):
В состоянии перед взлетом (Фиг. 1) вертостат снаряжен, задний топливный бак заправлен топливом в соответствии с заданием на полет, экипаж и пассажиры находятся на своих местах в кабине (2).
1
3
2
1
После запуска маршевых двигателей (4) и выруливания к месту старта экипаж затормаживает колеса, выпускает рули-закрылки (6) заднего горизонтального оперения (5) на 30-35 градусов, включает устройство предварительной раскрутки автожирного несущего винта (7) и доводит его обороты до значения, в 1,3 раза превышающего полетные обороты. Затем маршевые двигатели (4) выводятся на взлетный режим, выключается устройство предварительной раскрутки несущего винта (7) и растормаживаются колеса. Вертостат начинает движение, автодинамическая втулка несущего винта (7) сразу после отключения устройства предварительной раскрутки автоматически увеличивает общий шаг лопастей, вертикальная составляющая тяги (Y) резко возрастает и винт поднимает нос вертостата. Одновременно с подъемом носовой части вертостата на заднем горизонтальном оперении (5) за счет угла отклонения рулей-закрылков (6) и роста угла кабрирования возрастает вертикальная составляющая подъемной силы (Y), которая складывается с аэростатической подъемной силой объема оболочки (Y) и с вертикальной составляющей тяги винта (Y).
1
2
3
взл
4
В момент превышения величины полной подъемной силой (Y+Y+Y) фактического взлетного веса вертостата он отрывается от земли и переходит в набор высоты с быстрым увеличением поступательной скорости (Фиг. 2). В процессе расходования кинетической энергии вращения обороты винта снижаются. Одновременно автодинамическая втулка уменьшает шаг лопастей до состояния, когда за счет энергии набегающего потока обороты винта сохраняются на уровне полетных. С ростом скорости (V) появляется и растет аэродинамическая подъемная сила корпуса вертостата (Y). Изменением угла атаки несущего винта (7) и уменьшением угла выпуска рулей-закрылков (6) экипаж балансирует вертостат в продольной плоскости и стабилизирует его на траектории набора высоты. После перехода в горизонтальный полет рули-закрылки (6) полностью убираются, оставаясь в режиме работы рулей высоты. Полет продолжается на крейсерской скорости.
Во время снижения в район посадки крейсерская конфигурация вертостата сохраняется. При этом поступательная скорость снижения и крейсерская скорость почти не отличаются.
1
3
Перед входом в траекторию приземления экипаж выпускает рули-закрылки (6) заднего горизонтального оперения (5) на 30-35 градусов, выводит двигатели (4) на повышенный режим и непосредственно перед приземления энергично увеличивает угол атаки несущего винта (7). За счет этого обороты и подъемная сила тяги винта (Y) резко возрастают, угол кабрирования увеличивается. Одновременно, при увеличении угла кабрирования, возрастает составляющая подъемной силы (Y) заднего горизонтального оперения. Поступательная скорость вертостата гасится, и он плавно приземляется на посадочную площадку практически без пробега.
В случае необходимости, с высоты нескольких метров, вертостат может прервать процесс посадки и, увеличив режим двигателей (4) до взлетного, без просадки уйти в набор высоты или осуществить полет вблизи земли на минимальной скорости 35-40 км/ч.
Эффект от включения заднего горизонтального оперения в число элементов вертостата, создающих подъемную силу, проявляется прежде всего в уменьшении потребного объема несущего газа в оболочке.
3
3
Для сравнения, хорошо спроектированному современному классическому дирижаблю Zeppelin NT, перевозящему 12 пассажиров и два члена экипажа, потребовался объем оболочки 8425 м. Вертостату с носовым автожирным винтом и несущим задним горизонтальным оперением для перевозки 12 пассажиров и двух членов экипажа достаточно иметь объем оболочки 1050 м, т.е. в 8 раз меньше. В 4,2 раза уменьшается парусность, что в сочетании с высокой эффективностью управления, достигаемого за счет больших плеч составляющих подъемных сил горизонтального оперения и несущего винта, обеспечивает вертостату предложенной схемы уникальные взлетно-посадочные характеристики, в том числе в присутствии ветра.
Устройство вертостата с несущим горизонтальным оперением позволило:
- реализовать дополнительный источник подъемной силы за счет использования несущих возможностей заднего горизонтального оперения;
- максимально уменьшить потребный объем несущего газа в оболочке;
- сократить габаритные размеры несущей оболочки;
- повысить маневренность и управляемость за счет снижения парусности и больших плеч составляющих подъемных сил горизонтального оперения и несущего винта.