СКОРОСТНОЙ ВИНТОКРЫЛ
HIGH-SPEED ROTARY-WING AIRCRAFT

Изобретение относится к винтокрылым летательным аппаратам с вертикальным взлетом и посадкой, а именно к скоростным комбинированным вертолетам.
Известны скоростные комбинированные вертолеты, использующие дополнительные воздушные винты для повышения путевой скорости вертолета (WO 2005/005250, 2005; WO 2008/145868, 2008; Eurocopter X-3, http://www.eurocopter.com/site/en/ref/X3-Demonstrator_1099.html). Комбинированные (гибридные) вертолеты имеют фюзеляж с расположенными на нем крыльями, не менее одного тягового или толкающего воздушного винта (пропеллера), один несущий винт, хвостовое оперение, силовую установку. Силовая установка с хотя бы одним турбовальным двигателем приводит во вращение несущий винт и пропеллеры посредством трансмиссии. Изменение высоты и скорости полета осуществляется как посредством управления общим и циклическим шагом несущего винта, так и управлением общим шагом воздушного винта. Фюзеляж снабжен стабилизирующими поверхностями в хвостовой части. Компенсация крутящего момента несущего винта осуществляется изменением тяги пропеллеров и аэродинамическими рулями хвостового оперения или рулевым винтом.
Недостатком устройств является постоянная механическая связь, через трансмиссию, несущего винта и воздушного винта с силовой установкой (невозможность использования вертолета с неработающими пропеллерами, без использования скоростного режима полета), что приводит к повышенному расходу топлива.
Известны также летательные аппараты вертикального взлета и посадки - конвертопланы, имеющие один или несколько воздушных винтов, которые в одном режиме полета могут использоваться для создания подъемной силы, а в другом режиме используются для создания тяги в направлении полета (RU 2397919; RU 2446078; US 20130092799; US 20130026305). Конвертопланы содержат фюзеляж, крылья и воздушные винты, которые могут иметь как общий, так и отдельный привод. Изменение высоты и скорости полета достигается координированным управлением тягой и поворотом оси вращения каждого винта.
Недостатком конвертопланов является повышенная сложность управления летательным аппаратом посредством воздушных винтов при переходе из режима взлет-посадка в горизонтальный полет и обратно. Это связано с отсутствием или малой эффективностью других органов управления (стабилизаторов, элеронов). Другим недостатком является значительная потребная мощность воздушных винтов в режиме взлет-посадка-висение, вызванная малым диаметром винтов.
Наиболее близким аналогом заявляемому техническому решению является скоростной комбинированный вертолет по патенту на полезную модель RU 110715. Скоростной комбинированный вертолет представляет собой гибридную комбинацию вертолета и самолета и имеет фюзеляж с крылом и хвостовой балкой, несущий и рулевой винты, силовую установку, топливную систему и систему управления силовой установкой, установленные на консолях крыла левый и правый двигатели, причем каждый двигатель подсоединен к топливной системе и к системе управления силовой установкой, при этом консоли крыла, вместе с двигателями на них установлены относительно фюзеляжа с помощью поворотно-разъемных узлов с возможностью демонтажа консолей или их поворота на стоянке, а также с возможностью поворота и аварийного сброса в полете.
Недостатком прототипа является повышенная сложность управления летательным аппаратом посредством левого и правого двигателей при переходе из режима взлет-посадка в горизонтальный полет и обратно, вызванная необходимостью поворота консолей крыла вместе с двигателями вокруг своей оси для изменения направления тяги двигателей и уменьшения аэродинамического сопротивления самих консолей.
Задачей заявляемого изобретения является упрощение управления скоростным винтокрылом при переходе из режима взлет-висение-посадка в режим скоростного горизонтального полета и обратно, а также снижение расхода топлива за счет применения воздушных винтов и реконфигурации консоли крыла.
Поставленная задача решена за счет того, что скоростной винтокрыл, содержащий фюзеляж с крылом и хвостовой балкой, несущий и рулевой винты с силовой установкой и два дополнительных воздушных винта, установленные на консолях крыла и снабженные каждый своим двигателем, в соответствии с изобретением  отличается тем, что каждый дополнительный воздушный винт со своим электрическим двигателем установлен в кольцевом корпусе, расположен в  сквозном отверстии, выполненном в консоли крыла, и установлен с возможностью поворота для установки оси воздушного винта вертикально или «по полету», в соответствии с выбранным режимом полета, при этом консоли крыла выполнены с поворотными концевыми частями, установленными с возможностью опускания и подъема в исходное положение.
Скоростной винтокрыл дополнительно имеет привод поворота каждого дополнительного воздушного винта и поворота соответствующей концевой части консоли крыла, который включает установленные в полости консоли электрический двигатель, редуктор, выходной вал которого жестко связан с кольцевым корпусом дополнительного воздушного винта, промежуточный редуктор, входной вал которого жестко связан с кольцевым корпусом дополнительного воздушного винта, а выходной вал, через муфту сцепления-расцепления, связан с механизмом поворота концевой части консоли крыла.
Установка дополнительных воздушных винтов в сквозных отверстиях консолей крыла позволит упростить управление скоростным винтокрылом при переходе из режима взлет-посадка-висение в режим скоростного горизонтального полета и обратно за счет раздельного управления несущим винтом и двигателями дополнительных воздушных винтов, которые могут быть выключенными во время поворота. Опускание концевых частей консолей крыла сокращает площадь, обдуваемую воздушным потоком от несущего винта, что приводит к уменьшению потребной мощности несущего винта и к экономии топлива.
Конструкция скоростного винтокрыла поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - скоростной винтокрыл в режиме взлет-висение-посадка, аксонометрическая проекция;
на фиг.2 - то же в режиме скоростного полета;
на фиг.3 - консоль крыла скоростного винтокрыла с электроприводом и воздушными винтами, аксонометрическая проекция;
на фиг.4 - консоли крыла скоростного винтокрыла с электроприводом и воздушными винтами, вид сверху.
Скоростной винтокрыл содержит фюзеляж 1, на котором установлено крыло, состоящее из левой 2 и правой 3 консоли (фиг.1). Над фюзеляжем 1 установлен несущий винт 4, а в задней части фюзеляжа 1 расположена хвостовая балка 5, на которой установлен рулевой винт 6. Несущий винт 4 и рулевой винт 6 при помощи трансмиссии (не показана) связаны силовой установкой 7. В левой 2 и правой 3 консоли крыла имеются сквозные отверстия 8 (фиг.4), в которых установлены дополнительные воздушные винты 9 в кольцевом корпусе 10 (фиг.3), каждый со своим двигателем 11, а сами левая 2 и правая 3 консоли крыла имеют поворотные концевые части 12 соответственно. Левая 2 и правая 3 консоли крыла содержат в своих полостях каждая свой привод поворота воздушных винтов 9, вместе с кольцевыми корпусами 10, и поворота концевой части 12 консоли соответственно. Каждый привод поворота дополнительного воздушного винта 9 и поворота концевой части 12 консоли крыла включает установленные в полости консоли электрический двигатель 13 (фиг.3), редуктор 14, выходной вал которого жестко связан с кольцевым корпусом 10 дополнительного воздушного винта 9, промежуточный редуктор 15, входной вал которого жестко связан с кольцевым корпусом 10 дополнительного воздушного винта 9, а выходной вал, через муфту сцепления-расцепления 16, связан с механизмом поворота 17 концевой части 12 консоли крыла. Механизм поворота 17 может быть исполнен, например, в виде червячной передачи.
Скоростной винтокрыл работает следующим образом. В режиме взлет-посадка-висение (фиг.1) и горизонтального полета с малой скоростью ось вращения воздушных винтов 9 направлена вертикально, а поворотные концевые части 12 левой 2 и правой 3 консолей крыла опущены вниз. Вертикальный взлет, посадка и висение осуществляются за счет несущего винта 4, работающего от силовой установки 7, а с помощью рулевого винта 6, также работающего от силовой установки 7, осуществляются компенсация крутящего момента от несущего винта 4 и управление по курсу. Нижнее положение поворотных концевых частей 12 и положение воздушных винтов 9 в кольцевых отверстиях 8 существенно сокращает сметаемую площадь консолей крыла 2 (3), что повышает эффективность несущего винта 4. Воздушные винты 9 в этом режиме могут не работать в целях экономии энергии. При необходимости создать дополнительную вертикальную тягу, например в тяжелых условиях работы (высокая температура окружающей среды, разреженная атмосфера, большой взлетный вес), экипаж включает двигатели 11 воздушных винтов 9. Указанные меры позволяют сократить расход топлива.
В режиме горизонтального полета с большой скоростью (фиг.2) по команде экипажа включаются электродвигатели 13, которые через редукторы 14 поворачивают кольцевые корпуса 10 и связанные с ними дополнительные воздушные винты 9 в направлении полета, причем электродвигатель 13, находящийся в полости левой консоли крыла 2, вращает кольцевой корпус 10 по часовой стрелке, а электродвигатель 13, находящийся в полости правой консоли крыла 3, вращает кольцевой корпус 10 против часовой стрелки. Когда оси вращения дополнительных воздушных винтов 9 повернутся в горизонтальное положение по полету, электродвигатели 13 автоматически отключаются с помощью концевых выключателей (не показаны). В этом положении дополнительные воздушные винты 9, при работающих двигателях 11, наряду с несущим винтом 4, будут создавать пропульсивную силу.
Одновременно с поворотом кольцевых корпусов 10, через муфты сцепления-расцепления 16, находящиеся в сцепленном состоянии при включении электродвигателей 11, вращения передаются на промежуточные редукторы 15, которые связаны с механизмами поворота 17 концевых частей 12 консолей крыла. Механизмы поворота 17 осуществляют подъем концевых частей 12 консолей крыла до горизонтального положения, которое достигается при выключении двигателя 13. При отключенной по команде экипажа муфте сцепления-расцепления 16 существует возможность управления положением воздушных винтов 9 независимо от положения концевых частей 12 консолей крыла.
В аварийной ситуации, при отказе силовой установки 7 или несущего винта 4, возможно использовать положение дополнительных воздушных винтов 9 и концевых частей 12 консолей крыла, такое же, как и в скоростном горизонтальном полете. Несущий винт 4 будет находиться в режиме авторотации и обеспечивать подъемную силу вместе с левой 2 и правой 3 консолями крыла.